碳化硅（SiC）陶瓷結(jié)構(gòu)件在各類(lèi)新應(yīng)用場(chǎng)景的需求逐漸增多。例如，核工業(yè)領(lǐng)域的大尺寸復(fù)雜形狀SiC陶瓷核反應(yīng)堆芯；集成電路制造關(guān)鍵裝備光刻機(jī)的SiC陶瓷工件臺(tái)、導(dǎo)軌、反射鏡、陶瓷吸盤(pán)、手臂等；新能源鋰電池生產(chǎn)配套的中高端精密SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件；光伏行業(yè)生產(chǎn)用擴(kuò)散爐配套高端精密SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件和電子半導(dǎo)體高端芯片生產(chǎn)制程用精密高純SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件。然而，由于SiC是Si-C鍵很強(qiáng)的共價(jià)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(fù)雜異形中空結(jié)構(gòu)精密SiC結(jié)構(gòu)件的制備難度較高，限制了SiC陶瓷在諸如集成電路這類(lèi)高端裝備制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，而3D打印技術(shù)可有效解決這一難題。3D打印SiC陶瓷制備技術(shù)已成為目前SiC陶瓷研究和應(yīng)用的發(fā)展方向之一。3D打印SiC陶瓷主要為反應(yīng)燒結(jié)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(dá)50 vol%。由于硅熔點(diǎn)低于1410 ℃，導(dǎo)致硅使用溫度較低，限制了3D打印SiC陶瓷在半導(dǎo)體領(lǐng)域（如LPCVD）的應(yīng)用場(chǎng)景。
中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃政仁團(tuán)隊(duì)研究員陳健，在前期提出高溫熔融沉積結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)3D打印SiC陶瓷的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jí)提升，直接液相滲硅易阻塞通道致使?jié)B硅失效。近期，該團(tuán)隊(duì)提出了氣相與液相滲硅聯(lián)用逐次滲硅方法，通過(guò)氣相熔滲反應(yīng)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(yīng)，同時(shí)限制液態(tài)硅與固體碳的接觸面積。這樣不會(huì)發(fā)生熔滲通道的堵塞，使得后續(xù)的液相反應(yīng)可緩慢且持續(xù)進(jìn)行。該研究制備的SiC陶瓷密度可達(dá)3.12 g·cm-3，硅含量降低至10 vol%左右，抗彎強(qiáng)度和彈性模量分別達(dá)到465 MPa和426 GPa，力學(xué)性能與常壓固相燒結(jié)SiC陶瓷相當(dāng)，可提高SiC陶瓷環(huán)境使用溫度。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《歐洲陶瓷學(xué)會(huì)雜志》（Journal Of The European Ceramic Society）上，并申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)（其中1項(xiàng)已授權(quán)）。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和上海市自然科學(xué)基金等的支持。
3D打印SiC陶瓷示意圖
氣相滲硅形成的多孔SiC殼層
采用氣相和液相聯(lián)用滲硅得到的SiC陶瓷力學(xué)性能
來(lái)源： 上海硅酸鹽研究所
