碳化硅（SiC）陶瓷結構件在各類新應用場景的需求逐漸增多。例如，核工業(yè)領域的大尺寸復雜形狀SiC陶瓷核反應堆芯；集成電路制造關鍵裝備光刻機的SiC陶瓷工件臺、導軌、反射鏡、陶瓷吸盤、手臂等；新能源鋰電池生產配套的中高端精密SiC陶瓷結構件；光伏行業(yè)生產用擴散爐配套高端精密SiC陶瓷結構件和電子半導體高端芯片生產制程用精密高純SiC陶瓷結構件。

3D打印SiC陶瓷示意圖

然而，由于SiC是Si-C鍵很強的共價鍵化合物，硬度僅次于金剛石，具有頗高的硬度和顯著的脆性，故精密加工難度大。因此，大尺寸、復雜異形中空結構精密SiC結構件的制備難度較高，限制了SiC陶瓷在諸如集成電路這類高端裝備制造領域中的應用，而3D打印技術可有效解決這一難題。3D打印SiC陶瓷制備技術已成為目前SiC陶瓷研究和應用的發(fā)展方向之一。3D打印SiC陶瓷主要為反應燒結SiC陶瓷，多數(shù)密度低于2.95 g cm-3，硅含量通常大于30vol%甚至高達50 vol%。由于硅熔點低于1410 ℃，導致硅使用溫度較低，限制了3D打印SiC陶瓷在半導體領域（如LPCVD）的應用場景。

氣相滲硅形成的多孔SiC殼層

中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員黃政仁團隊研究員陳健，在前期提出高溫熔融沉積結合反應燒結3D打印SiC陶瓷的基礎上，進一步將陶瓷打印體等效碳密度從0.80 g cm-3提高至接近理論等效碳密度0.91 g cm-3。等效碳密度的增加致使?jié)B硅難度呈指數(shù)級提升，直接液相滲硅易阻塞通道致使?jié)B硅失效。

采用氣相和液相聯(lián)用滲硅得到的SiC陶瓷力學性能

近期，該團隊提出了氣相與液相滲硅聯(lián)用逐次滲硅方法，通過氣相熔滲反應形成多孔SiC殼層，避免高碳密度的陶瓷打印體在液相滲硅初期發(fā)生快速劇烈反應，同時限制液態(tài)硅與固體碳的接觸面積。這樣不會發(fā)生熔滲通道的堵塞，使得后續(xù)的液相反應可緩慢且持續(xù)進行。該研究制備的SiC陶瓷密度可達3.12 g cm-3，硅含量降低至10 vol%左右，抗彎強度和彈性模量分別達到465 MPa和426 GPa，力學性能與常壓固相燒結SiC陶瓷相當，可提高SiC陶瓷環(huán)境使用溫度。

相關研究成果發(fā)表在《歐洲陶瓷學會雜志》（Journal Of The European Ceramic Society）上，并申請中國發(fā)明專利2項（其中1項已授權）。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金面上項目和上海市自然科學基金等的支持。 論文鏈接

來源：上海硅酸鹽研究所

碳化硅（SiC）陶瓷結構件在各類新應用場景的需求逐漸增多。例如，核工業(yè)領域的大尺寸復雜形狀SiC陶瓷核反應堆芯；集成電路制造關鍵裝備光刻機的SiC陶瓷工件臺、導軌、反射鏡、陶瓷吸盤、手臂等；新能源鋰電池生產配套的中高端精密SiC陶瓷結構件；光伏行業(yè)生產用擴散爐配套高端精密SiC陶瓷結構件和電子半導體高端芯片生產制程用精密高純SiC陶瓷結構件。

3D打印SiC陶瓷示意圖

然而，由于SiC是Si-C鍵很強的共價鍵化合物，硬度僅次于金剛石，具有頗高的硬度和顯著的脆性，故精密加工難度大。因此，大尺寸、復雜異形中空結構精密SiC結構件的制備難度較高，限制了SiC陶瓷在諸如集成電路這類高端裝備制造領域中的應用，而3D打印技術可有效解決這一難題。3D打印SiC陶瓷制備技術已成為目前SiC陶瓷研究和應用的發(fā)展方向之一。3D打印SiC陶瓷主要為反應燒結SiC陶瓷，多數(shù)密度低于2.95 g cm-3，硅含量通常大于30vol%甚至高達50 vol%。由于硅熔點低于1410 ℃，導致硅使用溫度較低，限制了3D打印SiC陶瓷在半導體領域（如LPCVD）的應用場景。

氣相滲硅形成的多孔SiC殼層

中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員黃政仁團隊研究員陳健，在前期提出高溫熔融沉積結合反應燒結3D打印SiC陶瓷的基礎上，進一步將陶瓷打印體等效碳密度從0.80 g cm-3提高至接近理論等效碳密度0.91 g cm-3。等效碳密度的增加致使?jié)B硅難度呈指數(shù)級提升，直接液相滲硅易阻塞通道致使?jié)B硅失效。

采用氣相和液相聯(lián)用滲硅得到的SiC陶瓷力學性能

近期，該團隊提出了氣相與液相滲硅聯(lián)用逐次滲硅方法，通過氣相熔滲反應形成多孔SiC殼層，避免高碳密度的陶瓷打印體在液相滲硅初期發(fā)生快速劇烈反應，同時限制液態(tài)硅與固體碳的接觸面積。這樣不會發(fā)生熔滲通道的堵塞，使得后續(xù)的液相反應可緩慢且持續(xù)進行。該研究制備的SiC陶瓷密度可達3.12 g cm-3，硅含量降低至10 vol%左右，抗彎強度和彈性模量分別達到465 MPa和426 GPa，力學性能與常壓固相燒結SiC陶瓷相當，可提高SiC陶瓷環(huán)境使用溫度。

相關研究成果發(fā)表在《歐洲陶瓷學會雜志》（Journal Of The European Ceramic Society）上，并申請中國發(fā)明專利2項（其中1項已授權）。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金面上項目和上海市自然科學基金等的支持。 論文鏈接

來源：上海硅酸鹽研究所