根据 的市场观察，随着陶瓷增材制造技术与材料技术的继续发展，基于光固化、粘结剂喷射、材料挤出3D打印技术、激光加工的应用将得到不同程度的加强，应用领域预计将扩展至汽车、牙科、能源、电子等更多领域。
根据SmarTech题为“2017-2028 年陶瓷增材制造市场”的报告预测，在最终用途零部件生产的强劲复合年增长率的推动下，陶瓷 3D 打印市场在2028年预计将产生超过 36 亿美元的收入。
本期，通过聚焦近期国内在陶瓷材料与制造工艺方面的实践与研究的多个闪光点， 与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。
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陶瓷成型是一种成熟的技术，具有商业制造规模的多种方法，例如压制、挤出、泥浆浇铸、流延浇铸、凝胶浇铸和注塑成型。然而，这些传统的成型技术通常只允许二维设计自由，无法创建内部或多尺度特征，并且需要复杂且昂贵的模具。相反，增材制造 (AM) 能够生产具有复杂、多尺度几何形状的零件，包括内部结构。此外，多材料 AM 允许通过离散层和成分梯度来定制材料异质性 。
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氧化时间对增材制造
碳化硅性能提升的作用机制
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李伟1,2张舸1,2崔聪聪1,2包建勋1,2郭聪慧1,2徐传享1,2张巍1,2朱万利1,2
1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术重点实验室2. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室
摘要：
增材制造结合反应烧结技术能够制备高度轻量化的碳化硅陶瓷反射镜，针对增材制造技术制备的碳化硅陶瓷存在抗弯强度低、弹性模量低等力学性能差的问题，开展高温氧化提升材料力学性能的研究。
对基于增材制造的反应烧结碳化硅陶瓷试样在850℃下进行高温氧化处理，研究氧化时间对材料成分及表面缺陷含量的影响，阐明氧化时间对材料性能的提升机制，揭示它对材料性能的影响规律。
实验结果表明：当氧化时间为2 h时，材料表面原位生长一层致密的氧化硅膜层，该膜层能够使材料表面缺陷自愈合，有效降低陶瓷材料表面缺陷的含量，此时材料获得最佳的力学性能，抗弯强度和弹性模量分别为263.9 MPa和384.75 GPa，分别提升10.7%和14.4%。该方法具有高效率、低成本和易操作的优势，为增材制造碳化硅陶瓷的性能优化提供理论指导。
超高温氧化物陶瓷激光
增材制造及组织性能调控研究进展
陈乾1苏海军1,2姜浩1申仲琳1余明辉1张卓1
1. 西北工业大学凝固技术国家重点实验室2. 西北工业大学深圳研究院
摘要：
氧化物陶瓷具有高硬度、高强度以及优异的抗氧化和抗腐蚀性能，是高性能发动机极端高温、燃气腐蚀、氧化服役环境用重要的候选高温结构材料，在航空航天用高端装备领域具有广泛的应用前景。与传统陶瓷制备技术相比，激光增材制造技术能够一步实现从原材料粉末到高性能结构件的一体化高致密成型，具有柔性度好、成型效率高的特点，可以快速制备高性能、高精度、大尺寸复杂结构部件。近年来，基于液固相变发展的熔体生长氧化物陶瓷激光增材制造技术已成为高温结构材料制备技术领域的前沿研究热点之一。
本课题首先概述了激光增材制造技术的基本原理，着重介绍了选区激光熔化与激光定向能量沉积两种典型激光增材制造技术的工艺特点。在此基础上，重点阐述了激光增材制造不同氧化物陶瓷的组织特征及工艺参数对微观组织的影响规律，并总结比较了激光增材制造不同体系氧化物陶瓷力学性能的差异。最后，本课题对该领域存在的问题进行了梳理和分析，并对未来的发展趋势进行了展望。
聚合物前驱体转化陶瓷
增材制造技术研究趋势与挑战
苑景坤、熊书锋、陈张伟
深圳大学增材制造研究所
摘要：
近年来,增材制造技术作为一种新兴的制造技术受到了广泛关注。该技术在高性能陶瓷材料的成型制造领域具有巨大的发展潜力,有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈,极大提升高性能陶瓷产品的设计和制备的自由度,从而为高性能陶瓷材料制造技术的发展提供变革性的推动力。前驱体转化陶瓷通过化学方法制得聚合物，再经热处理转化为陶瓷材料。聚合物前驱体充分利用了自身良好的可加工性特点,实现了目标结构的预成型,并通过热处理工艺获得传统陶瓷工艺难以获得的先进陶瓷材料。而聚合物前驱体材料与增材制造技术的结合更受到了极大关注。本课题在介绍聚合物前驱体增材制造技术特点的基础上,系统阐述了聚合物前驱体增材制造技术的研究与应用前沿的现状与趋势,并分析了聚合物前驱体增材制造技术面对的挑战以及未来发展方向。
面向光学/精密结构的
碳化硅制备和应用进展
张舸1,2崔聪聪1,2李伟1,2董斌超3曹琪3周立勋3郭聪慧1,2张巍1,2徐传享1,2朱万利1,2包建勋1,2
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2. 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室3. 长春长光精瓷复合材料有限公司
摘要：
碳化硅陶瓷具有力学和热学综合性能优势，已广泛应用于光学/精密结构构件的制造。综述了应用于天/地基先进光电系统领域的碳化硅陶瓷制备技术国内外现状，对比分析了常压烧结、反应烧结、气相转化/沉积三种已获得工程化应用的致密化技术，以及预制体成型技术和材料性能调控方法；介绍了碳化硅陶瓷的增材制造技术，及其应用于光学/精密结构构件制备的进展；总结了超大口径、超高复杂度碳化硅陶瓷的连接技术。阐述了不同应用场景对碳化硅陶瓷的性能需求及其面临的挑战，展望了碳化硅陶瓷制备技术的发展趋势。
浸锑石墨与无压烧结SiC和3D打印
SiC密封材料配对副的摩擦磨损特性研究
柴杨洋、彭旭东、江锦波、孟祥铠、马艺
浙江工业大学机械工程学院
摘要：
为研究干气密封用密封材料的摩擦学特性，采用销盘旋转试验台研究3种浸锑石墨在干摩擦条件下分别与无压烧结SiC和3D打印SiC配对时的摩擦磨损特性，探讨了速度、载荷对密封材料摩擦磨损特性的影响，揭示了配对副材料表面的磨损机理。结果表明：随着载荷p与速度v的乘积（pv值）的增大，摩擦系数和磨损率均呈现逐渐减小趋势；在pv值较小时磨损机理为严重的磨粒磨损和轻微的黏着磨损，在pv值较高时磨损主要发生在碳化硅摩擦表面粘附的石墨转移层间，磨损机理主要表现为黏着磨损；在研究pv值变化对浸锑石墨与SiC密封材料配对副摩擦磨损特性的影响时，首选定载荷变速度试验方法。
3D打印模具法制备
磷酸三钙点阵支架工艺研究
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马热艳木·艾尼1乌日开西·艾依提1王江华2滕勇2贾儒1
1. 新疆大学机械工程学院2. 中国人民解放军新疆军区总医院
摘要：
通过数字光处理（DLP）3D打印技术制备模具，并与凝胶注模成型工艺相结合，制备了固含量为60%的OP、QD两种形式的β-磷酸三钙（β-TCP）点阵结构支架。分析了两种点阵结构支架的物相、微观形貌、孔隙率、收缩率以及力学性能。实验结果表明：点阵结构支架在烧结之后没有发生物相变化，晶粒之间链接紧密。支架的孔隙直径为540～570μm;OP点阵结构支架的总孔隙率为65.06%,QD结构为64.18%；两种形式支架的收缩率接近，分别为15.25%和15.84%;OP结构支架的最大抗压强度6.95 MPa,QD结构支架为4.26 MPa。两种点阵结构支架力学性能都松质骨的抗压强度范围内。
光固化3D打印碳化硅陶瓷：
粉体表面氧化处理提升碳化硅浆料光固化性能
陈洪钧、王小锋、刘明信、彭超群、王日初
中南大学材料科学与工程学院
摘要：
为了进行碳化硅的光固化3D打印，本文提出采用表面氧化处理提升碳化硅(SiC)浆料的光固化性能。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱等研究了碳化硅颗粒的氧化过程以及氧化温度与保温时间对氧化过程的影响；采用动态流变仪、紫外分光光度计、数字千分尺等研究了浆料的流变性能和光固化性能。
结果表明：经表面氧化处理后的SiC颗粒紫外反射率有显著的提高，最高提高了48.11%，为未氧化的1.8倍；配置的浆料光固化性能有明显的改善，曝光5 s时固化厚度最高提高到76 μm，为未氧化的3.6倍。随着氧化温度的上升以及保温时间的延长，氧化层厚度持续增长，最高达到144.8 nm。考虑到过度氧化不利于后续碳化硅陶瓷的烧结成型，最终选择使用1100 ℃保温3.0 h的氧化SiC粉末，并以1wt.%的KOS163为SiC浆料的分散剂，制备了固含量为45vol.%的SiC浆料，成功实现了SiC陶瓷坯体的光固化3D打印。
光固化3D打印制备
莫来石纤维基多孔陶瓷
李鑫1曹岳岐2张强1郭安然2
1. 中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室2. 天津大学材料科学与工程学院先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室
摘要：
传统的成型技术已经无法满足各行业对高精度、复杂结构莫来石纤维基多孔陶瓷的需求，光固化3D打印技术可以直接制得近净尺寸的陶瓷材料，是制备复杂结构陶瓷的理想技术。以莫来石纤维(基体)和纳米SiO2粉(高温黏结剂)为主要原料，采用光固化3D打印技术成功制备了莫来石纤维基多孔陶瓷。研究了纳米SiO2粉加入量(加入质量分数分别为0、20%、27%、33%和38%)对纤维浆料的分散稳定性、流变特性和光敏性能的影响，以及对莫来石纤维基多孔陶瓷的显微结构和物理性能的影响。
结果表明：SiO2粉使纤维浆料的黏度显著提升，这有助于缓解纤维的沉降、团聚，获得均匀的打印浆料；但过量的SiO2粉将导致浆料黏度过大，不利于3D打印过程顺利进行。当SiO2粉加入量为33%(w)时，纤维浆料的性能最适合3D打印，其在1 h内的沉降率小于9.7%,黏度为3.95 Pa·s(剪切速率为30 s-1);采用上述浆料打印的莫来石纤维基多孔陶瓷表现出最佳的物理性能(体积密度为0.56 g·cm-3,显气孔率为72%,室温下的热导率为0.135 W·m-1·K-1)。
面向3D打印技术的CNTs/rGO
增韧SiC陶瓷基复合材料研究
陈中华
山东大学
摘要：
反应烧结碳化硅陶瓷(RB-SiC)具有高硬度、耐高温、耐腐蚀和抗氧化等优异性能,作为一种理想的结构材料被广泛应用于车辆机械、生物医药和航空航天等领域,但其脆性大、韧性差等缺陷严重阻碍了碳化硅(SiC)陶瓷的应用;且传统SiC陶瓷的成型方式主要为注模成型,对复杂形状和结构陶瓷的制备能力较低,这同样限制了 SiC陶瓷的应用。
因此,本课题分别引入一维的碳纳米管(CNTs)和二维的还原氧化石墨烯(rGO)作为第二相增强增韧体来提高SiC陶瓷的力学性能,制备了 CNTs/rGO增韧SiC陶瓷基复合材料;为了提高SiC陶瓷的成型能力,本课题引入浆料直写成型陶瓷3D打印技术作为复合材料的成型方式。
基于以上两方面,本课题探索确定了面向3D打印技术的CNTs/rGO增韧SiC陶瓷基复合材料研究,具体研究内容如下:
(1)对SiC陶瓷基复合材料的生坯制备工艺进行研究。为了满足浆料直写的成型需求,对浆料的流变性能进行研究,通过实验制备了以2.5wt%浓度的海藻酸钠溶液为粘结剂、1wt%粉体质量的聚乙二醇400为分散剂、大小颗粒粒径比为7:3的SiC颗粒为原料的具有剪切变稀特性的陶瓷浆料;为了保证打印成型精度,对3D打印成型工艺进行研究,确定以100%的挤出倍率、0.6mm的喷嘴直径、0.24mm的分层厚度、30mm/s的打印速度和80%的填充率为打印参数的3D打印方案。通过上述两方面研究,成功制备了 X、Y和Z方向平均误差均小于0.15mm的陶瓷生坯。
(2)对SiC陶瓷基复合材料的烧结工艺和基体性能进行研究。探究生坯的脱胶和烧结工艺,确定以800℃和1600℃为脱胶及烧结温度、4mm硅粒含量为0.95倍的烧结方案;对烧结后的SiC陶瓷进行性能研究与微观分析,讨论不同大小SiC颗粒粒径比对陶瓷性能的影响,当粒径比为7:3时,材料性能最好,抗弯强度达到232.7MPa,断裂韧性达到3.37MPa·m1/2,并分析其显微结构,为后文研究增强体的增韧效果奠定基础。
(3)对CNTs和rGO增韧SiC陶瓷基复合材料的效果进行研究。为解决增强体的团聚和高温熔融侵蚀问题,对其分散和包覆工艺进行讨论;将预处理的增强体引入基体,探讨复合材料的物理和力学性能,并通过分析显微结构解释宏观性能表现,结果显示:当CNTs的添加量为3wt%时,复合材料的力学性能最好,抗弯强度达到310.5MPa,较纯SiC基体提升33.4%,断裂韧性达到4.37MPa·m1/2,较纯SiC基体提升30%。当rGO的添加量为5wt%时,复合材料的力学性能最好,抗弯强度达到302.7MPa,较纯SiC基体提升30%,断裂韧性达到4.11MPa·m1/2,较纯SiC基体提升21.9%。其共同增韧机理为增强体在基体中的断裂、拔出、桥接和引导裂纹偏转提升了复合材料的力学性能。
基于有机前驱体
3D打印SiC陶瓷的研究
王欣宇
辽宁大学
摘要：
有机前驱体聚合物衍生陶瓷(PDC)技术是一种新兴的陶瓷材料生产方法,与传统方法制备的陶瓷相比,PDC具有更规则的内部结构、更少的表面缺陷和相对较低的加工温度。3D打印技术为制造复杂结构或多孔的陶瓷材料提供了很好的选择。本文采用数字光处理(Digital Light Processing,DLP)技术以及有机前驱体转化的方法,探究出一种简单易做的合成工艺,制备了碳化硅陶瓷。研究了向前驱体溶液中添加葡萄糖粉末对碳化硅陶瓷孔隙率的影响,结果表明适量葡萄糖的加入可提高陶瓷材料的孔隙率。通过向其中添加含铁化合物例如二茂铁为烧结助剂,可降低碳化硅陶瓷的烧结温度,并探究烧结助剂对烧结温度降低幅度的影响。
将PDC与3D打印技术相结合,为合成具有复杂结构的陶瓷零件提供了一种简单、环保、经济的合成方法,具体的研究内容如下:1、以γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-570)为原材料,将其在酸性条件下水解缩聚。使其在室温下反应3 h后升温至90℃反应2 h,可以制得一种无烧结助剂且粘度较小的前驱体溶液,然后通过DLP打印获得复杂形状的“陶瓷坯体”,进一步紫外光固化处理。陶瓷坯体在氮气气氛下经1600℃下高温烧结得到陶瓷样品,根据表征结果可知,陶瓷样品中已形成了碳化硅。2、以葡萄糖作为碳源,加入由γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-570)制得的前驱体溶液中,使用DLP打印复杂形状的陶瓷生坯,经紫外光固化后,在氮气气氛下经1600℃高温烧结。结果表明陶瓷样品中碳化硅的比例大大提高。葡萄糖最佳加入量为1 wt%,所制得的陶瓷材料孔隙率可达到73.68%,在其表面及内部出现大量的碳化硅纳米线。3、探究烧结助剂的种类对碳化硅形成的影响,选择二茂铁,氧化铁,硝酸铁,乙酰丙酮铁,探究四种含铁化合物作为烧结助剂。结果表明,二茂铁催化碳化硅相的成核和生长的效果最佳,当二茂铁的加入量为1 wt%时,碳化硅陶瓷的晶型较好。
前驱体转化陶瓷法制备
Ti3SiC2陶瓷及其热稳定性研究
郑斌1康凯1张青2叶昉2解静1贾研1孙国栋1成来飞2
1. 长安大学材料科学与工程学院2. 西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室
摘要：
Ti3SiC2因具有良好的高温稳定性，可作为改性材料来提高C/C复合材料的抗氧化性能，应用潜力巨大。本工作以钛粉和液态聚碳硅烷(Liquid Polycarbosilane，LPCS)作为原料，采用前驱体转化陶瓷(Polymer Derived Ceramics，PDC)法在1200 ℃、1300 ℃、1400 ℃、1500 ℃下制备了四种相含量的Ti3SiC2陶瓷，研究了烧结温度对其物相组成及形貌的影响，以及不同Ti3SiC2相含量对陶瓷材料的抗氧化和抗热震性能的影响。结果表明，在Ti:Si摩尔比为3:1.5、烧结温度为1300 ℃、1400 ℃、1500 ℃条件下，均有层状结构的Ti3SiC2生成。当烧结温度为1400 ℃时，陶瓷产物中Ti3SiC2质量分数达到92.10%，抗弯强度达172.68 MPa。在1300 ℃静态空气环境下氧化7 h，陶瓷氧化增重随Ti3SiC2相含量增大而逐渐降低，氧化过程中材料表面生成了以TiO2为主相的保护膜，有效延缓了氧气向内部扩散。对试样进行1300 ℃空气热震和残余强度测试结果发现，随着热震次数的增加，所有材料的抗弯强度均有所下降；但随着Ti3SiC2相含量的增加，试样的抗热震性能和残余强度均提高。Ti3SiC2相含量最高的试样经过30次热震后失重30.66%，残余抗弯强度为120.18 MPa，这主要归因于层状结构的Ti3SiC2大幅增加了裂纹扩展路径及其良好的氧化性能。
SiC-ZrC复相超高温陶瓷
改性C/C复合材料的研究进展
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张倩玮、陈意高、崔红、吴小军
西安航天复合材料研究所
摘要：
SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备工艺原理与单一陶瓷相改性C/C复合材料的工艺原理基本相同，但SiC-ZrC复相陶瓷具有耐高温、温域宽(1 600～2 500℃)、抗氧化、工艺适应性好等优点，在测试和应用中表现出优异的力学性能和抗烧蚀性能，能够有效填补目前高温段热防护材料的空缺，因此已经成为C/C复合材料基体掺杂改性的重要选择，在航天飞行器防热领域极具应用潜力。本文针对C/C-SiC-ZrC复合材料的发展潜力和应用空间，从制备工艺、结构特征以及性能特点三个方面综述了C/C-SiC-ZrC复合材料当前的研究进展，分析了制备工艺对复合材料微结构和性能的影响规律，提出了基于工程应用C/C-SiC-ZrC防热材料的发展建议。
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