3D打印技术推动反应烧结碳化硅陶瓷应用增长

banwei2023-11-29 11:23:00

碳化硅陶瓷具有强度高、硬度高、化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等特点。碳化硅作为特种陶瓷中的结构陶瓷类别,被广泛应用于各种先进制造领域。

反应烧结碳化硅(Reaction-Bonded Silicon Carbide, RBSC)是将原料成型体(碳化硅微粉、石墨、炭黑、粘结剂及各种添加剂)在1720度高温下通过固相,液相和气相相互间发生化学反应,同时进行致密化和规定组分的合成,得到近尺寸的烧结体过程。反应烧结碳化硅具有高温强度大、抗氧化性强、耐酸碱腐蚀性强、热稳定性能好、热导率高、硬度仅次于金刚石具有高耐磨性。现已被加工成碳化硅喷火嘴烧嘴套、横梁辊棒、冷风管、辐射管、碳化硅耐磨内衬等各种耐高温,耐磨,耐腐蚀性产品。并广泛应用于电力、钢铁、陶瓷、高温窑炉、矿山、煤炭、石油、化工、机械制造等各个行业领域,并得到社会各界的广泛认可。

然而随着国家高技术产业的快速发展和需求的增加,碳化硅市场前景愈发广阔,相应的应用要求也日趋严格。特别是在复杂碳化硅产品的制造方面,对航空航天、军工、新能源和半导体等前沿技术领域发展有着重要的战略意义。然而由于碳化硅陶瓷材料具有缺陷敏感性强、高温烧结变形大、烧结后难以加工等特点,较难使用有模成型技术实现大尺寸、复杂结构的碳化硅产品制造。相对高端前沿材料的应用普及就相形见绌,严重制约了其在高新技术的发展步伐。

尽管热等静压、挤压和注射成型已广泛用于碳化硅产品成型体的制备。而相比于传统的成型技术,3D打印技术具有智能、无模、精密、高复杂度的制造能力,它能够完成传统工艺不可能完成的制造。不过相对于塑料或金属有固定的熔点,通过加热融化后就可以进行粘贴。而碳化物陶瓷没有熔点,如碳化硅会在高温下氧化成二氧化硅,或者是其他的气体、激光的作用下直接分解,导致无法直接3D打印,需打印出一个素坯再去烧结。从碳化硅的素坏成型工艺环节入手,再结合反应烧结工艺特性,使烧成的碳化硅陶瓷毛坯达到近净成型,以减少后续加工量,并保证产品性能满足使用要求,这将成为复杂结构碳化硅陶瓷制备工艺的主要研究方向。

目前,大多数3D打印SiC陶瓷方法中打印材料固含量较低、硅含量较高、力学性能较低。如直接墨水书写(DIW)的墨水中的固相含量太低,会导致陶瓷坯体致密度较低;激光打印在烧结过程中产生的热应力难以避免产生裂纹,导致最终产品力学性能较差;而粘结剂喷射(BJP)限制了粉末填充密度,导致SiC体积分数受限;立体光刻(SLA)虽然能够制备出高强度、高精度、高结构均一性和复杂性的陶瓷坯体,但由于碳化硅的吸光特性,导致其在制备碳化硅部件时仍存在诸多技术瓶颈。因此,在提高碳化硅陶瓷的加工效率、降低制备成本成为亟待解决的问题。

随着光伏、电子、半导体行业的崛起,科技的发展对芯片的需求量日益剧增,在晶圆制造的过程中普遍使用的石英晶圆载具,因其生产工艺和石英材料特性,使用寿命为3-6个月;而碳化硅晶圆载具代替石英,使用寿命可达5年以上,可显著降低使用成本及维护维修停线造成的产能损失。某半导体领域客户,利用PEP技术结合反应烧结工艺制造碳化硅晶圆载具,为晶圆载具的灵活结构设计提供了支持,3D打印的一体化制备有效减少制作周期和生产成本。制备的碳化硅晶圆载具具备纯度高、高温强度高、耐热冲击、耐腐蚀、耐磨损等优势,在下游客户生产中具备稳定性好、使用寿命长、维护成本低等优点。

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