强激光与粒子束
2024, 36(2): 025010
强激光与粒子束
2024, 36(1): 013008
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室，吉林 长春 130033
3 长春长光精瓷复合材料有限公司，吉林 长春 130033
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。
光学材料 碳化硅陶瓷 光学/精密结构构件 致密化技术 增材制造 连接技术
1 1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院, 轨道车辆安全监测与健康管理研究中心, 北京 100044
2 2.北京建筑材料科学研究总院有限公司 固废资源化利用与节能建材国家重点实验室, 北京 100041
为拓展铁尾矿的资源化利用途径, 本研究分别以细颗粒高硅铁尾矿、铁尾矿+石墨粉以及铁尾矿+石墨粉+碳化硅粉为原料, 采用泡沫注凝成形-常压烧结、泡沫注凝成形-反应烧结和模压成形-反应烧结工艺制备了铁尾矿多孔陶瓷和三种以碳化硅为主晶相的多孔陶瓷。通过DSC-TG和XRD分析, 研究了铁尾矿自身的烧结过程以及铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应烧结过程, 对比分析了四种多孔陶瓷材料的孔隙率、压缩强度、热导率等性能。结果表明, 以铁尾矿为原料可制备具有较高孔隙率(87.2%)、压缩强度(1.37 MPa)和低热导率(0.036 W/(m·K))的铁尾矿多孔陶瓷, 它是一种高效保温隔热材料; 利用铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应可获得碳化硅多孔陶瓷, 其热导率显著提高, 但强度偏低; 而在原料中加入部分碳化硅, 可以明显改善多孔陶瓷的压缩强度, 获得具有高孔隙率(91.6%)、较高压缩强度(1.19 MPa)和热导率(0.31 W/(m·K))的碳化硅多孔陶瓷, 它可作为轻质导热材料或复合相变材料的载体使用; 与泡沫注凝成形工艺相比, 采用模压成形工艺制备的碳化硅多孔陶瓷虽然孔隙率有所降低(79.3%), 但热导率得到显著提升(1.15 W/(m·K)), 同时原料和生产成本大幅降低, 有利于实现产品的工业化生产。
铁尾矿 多孔陶瓷 碳化硅 反应烧结 泡沫注凝成形 iron tailing porous ceramics SiC reactive sintering foam gel-casting
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
2 2.南京理工大学 材料科学与工程学院, 南京 210094
3 3.西北工业大学 材料学院, 西安 710072
4 4.中国科学院 宁波材料技术与工程研究所, 宁波 315201
碳化硅(SiC)陶瓷作为一种高性能结构功能一体化的陶瓷材料, 在航空航天、核能工业和制动系统等领域应用广泛。然而, 传统的制造方法无法满足大尺寸复杂结构SiC陶瓷日益增长的市场需求, 例如发动机喷嘴、襟翼和涡轮叶片等。黏结剂喷射(BJ)3D打印突破了传统成型的约束, 可以提供新的制造思路。本工作采用颗粒级配SiC的思路, 基于级配理论优化较佳的颗粒度配比, 研究了BJ打印对级配前后SiC陶瓷素坯及烧结体性能的影响。研究发现, BJ打印级配后的SiC素坯经过一次前驱体浸渍裂解(PIP)处理, 能够快速制备抗弯强度最大达到(16.70± 0.53) MPa的SiC素坯, 相比采用20 μm中位径未级配的样品提高了116%。进一步采用液相渗硅制备了致密的SiC陶瓷, 其密度、抗弯强度、弹性模量和断裂韧性分别达到(2.655±0.001) g/cm3, (285±30) MPa, (243±12) GPa和(2.54±0.02) MPa·m1/2。XRD分析表明, SiC烧结体主要以3C-β-SiC晶为主。本研究基于颗粒级配的原料, 采用黏结剂喷射打印, 结合一次浸渍裂解与液相渗硅制备工艺, 高效可靠地制备了高性能SiC陶瓷材料。
碳化硅 颗粒级配 黏结剂喷射打印 前驱体浸渍裂解 silicon carbide particle grading binder jetting printing precursor impregnation and pyrolysis
石家庄铁道大学材料科学与工程学院, 河北 石家庄 050043
采用超声波辅助激光熔化沉积法制备SiCp/AlSi30复合材料, 研究SiC质量分数对铝基复合材料相组成、微观组织及力学性能的影响规律。当SiC的质量分数小于10%时, 液态铝合金与SiC颗粒之间未发生界面反应, 陶瓷颗粒保持原始的形态。当SiC的质量分数达到15%时, 部分SiC颗粒与熔融的铝合金反应形成了针状的Al4SiC4。SiC增强相的加入促进了硅相的非均匀形核, 导致初生硅尺寸的细化。由于高硬度增强相的加入和晶粒细化的共同作用, 质量分数10%碳化硅颗粒增强AlSi30复合材料的力学性能得到提高, 其显微硬度与未增强的AlSi30合金相比提高了25.3%。此外, 质量分数10% SiCp/AlSi30的摩擦因数和磨损率与超声波辅助激光熔化沉积法制备的纯AlSi30合金相比分别降低了19%和25%, 复合材料磨损性能得到提高。
激光熔化沉积 铝基复合材料 超声振动 碳化硅质量分数 laser metal deposition aluminum matrix composite ultrasonic vibration silicon corbide content
1 华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点试验室，武汉 430074
2 华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点试验室，武汉 430074，
SiC陶瓷凭借其高强度、高硬度和低密度等优势，在航空航天、核电工业等领域有着广阔的应用前景。但由于SiC加工难度高、韧性低，阻碍了其广泛应用。为解决上述问题，本研究采用黏结剂喷射增材制造(BJAM)结合液硅反应熔渗技术(LSI)制备了不同碳化硅晶须含量(SiCw)的SiCw/SiC复合材料。结果表明，当SiCw含量达到7.5% (体积分数)时，材料的弯曲强度和断裂韧性达到最大值分别为215.29 MPa和3.25 MPa?偸m1/2，硬度则在SiCw为5%达到23.06 HV的峰值。但当SiCw含量继续升高后，材料内部残余硅相含量提升，力学性能发生恶化。对打印初坯进行2次增碳可有效降低材料内部硅相含量，弯曲强度、断裂韧性和硬度最大分别提升10.15%、10.46%和10.58%。引入的SiCw通过偏折裂纹、拔出和折断等方式起到了对复合陶瓷材料的增强增韧作用。
黏结剂喷射 碳化硅 碳化硅晶须 液硅反应熔渗 断裂韧性 增材制造 binder jetting silicon carbide silicon carbide whisker reaction sintering fracture toughness additive manufacturing
1 中北大学航空宇航学院，太原 030051
2 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081
3 重庆大学航空航天学院，重庆 400044
为深入研究复相陶瓷在冲击加载下的宏观力学响应特性与微观断裂机制，选取Al2O3/SiC复相陶瓷为研究对象，设计了一维应力波和平面冲击波加载测试方法，研究了材料动态强度及其应变率效应、高压Hugoniot曲线以及不同受力特征下的材料局部变形机制。结果表明：不同的宏观受力特征下复相陶瓷对应有不同的微观断裂机理；冲击加载下材料的宏观变形主要是脆性破坏，但从微观角度观察，大尺寸晶粒穿晶断裂以及小尺寸晶粒沿晶断裂存在明显的局部塑性变形特征；第二相SiC颗粒在晶界和晶粒内部诱导裂纹传播，起到了冲击能量再分配的作用。
冲击动力学 氧化铝/碳化硅复相陶瓷 力学性能 微观结构 断裂 shock dynamics alumina/silicon carbide multiphase ceramics mechanical property microstructure fracture mechanism
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， 吉林长春30033
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， 吉林长春130033
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。
增材制造 反应烧结碳化硅 氧化时间 性能优化 additive manufacturing reaction-bonded silicon carbide oxidation time properties regulation 光学 精密工程
2023, 31(23): 3449
