上海硅酸盐所碳化硅陶瓷增材制造研究获进展

　　碳化硅（SiC）陶瓷结构件在各类新应用场景的需求逐渐增多。例如，核工业领域的大尺寸复杂形状SiC陶瓷核反应堆芯；集成电路制造关键装备光刻机的SiC陶瓷工件台、导轨、反射镜、陶瓷吸盘、手臂等；新能源锂电池生产配套的中高端精密SiC陶瓷结构件；光伏行业生产用扩散炉配套高端精密SiC陶瓷结构件和电子半导体高端芯片生产制程用精密高纯SiC陶瓷结构件。然而，由于SiC是Si-C键很强的共价键化合物，硬度仅次于金刚石，具有颇高的硬度和显著的脆性，故精密加工难度大。因此，大尺寸、复杂异形中空结构精密SiC结构件的制备难度较高，限制了SiC陶瓷在诸如集成电路这类高端装备制造领域中的应用，而3D打印技术可有效解决这一难题。3D打印SiC陶瓷制备技术已成为目前SiC陶瓷研究和应用的发展方向之一。3D打印SiC陶瓷主要为反应烧结SiC陶瓷，多数密度低于2.95g·cm-³，硅含量通常大于30vol%甚至高达50vol%。由于硅熔点低于1410℃，导致硅使用温度较低，限制了3D打印SiC陶瓷在半导体领域（如LPCVD）的应用场景。

　　中国科学院上海硅酸盐研究所研究员黄政仁团队研究员陈健在前期提出高温熔融沉积结合反应烧结3D打印SiC陶瓷的基础上，进一步将陶瓷打印体等效碳密度从0.80 g·cm^-3提高至接近理论等效碳密度0.91 g·cm^-3。等效碳密度的增加致使渗硅难度呈指数级提升，直接液相渗硅易阻塞通道致使渗硅失效。近期，该团队提出了气相与液相渗硅联用逐次渗硅方法，通过气相熔渗反应形成多孔SiC壳层，避免高碳密度的陶瓷打印体在液相渗硅初期发生快速剧烈反应，同时限制液态硅与固体碳的接触面积。这样不会发生熔渗通道的堵塞，使得后续的液相反应可缓慢且持续进行。该研究制备的SiC陶瓷密度可达3.12 g·cm^-3，硅含量降低至10vol%左右，抗弯强度和弹性模量分别达到465MPa和426GPa，力学性能与常压固相烧结SiC陶瓷相当，可提高SiC陶瓷环境使用温度。

　　相关研究成果发表在《欧洲陶瓷学会杂志》（Journal Of The European Ceramic Society）上，并申请中国发明专利2项（其中1项已授权）。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目和上海市自然科学基金等的支持。

　　3D打印SiC陶瓷示意图

气相渗硅形成的多孔SiC壳层

采用气相和液相联用渗硅得到的SiC陶瓷力学性能