随着空间技术的迅速发展，大尺寸、轻量化空间光学部件成为空间遥感系统的关键核心组成。短切碳纤维增强碳化硅复合材料因其高比强、高可靠性、优异的各向同性等优势，成为新一代空间光学元件的主要候选材料。以模压成型为代表包括热压烧结、放电等离子烧结等在内的传统方法，难以满足空天领域对大尺寸、轻量化陶瓷复合材料部件的迫切需求。
选区激光烧结3D打印(SLS)技术易于制造复杂结构、高可靠性的SiC复合材料，是一种极富前景的新型增材制造技术。目前，SLS制备SiC复合材料多采用碳纤维和热塑粘结剂粉体混合，打印流动性差，成型坯体孔隙率高，且尚未针对SLS打印原料流动特性开展改善系统优化研究。此外，在烧结前需引入浸渍裂解(PIP)工艺进行预致密化，导致制备周期过长。
近日，中科院上海硅酸盐研究所黄政仁研究员团队开发了一种基于SLS结合直接反应熔渗工艺快速制备高性能SiC复合材料的方法(图1)。在研究中，在碳纤维和酚醛树脂粘结剂的混合粉体中引入α-SiC骨架颗粒，基于原料组分剪裁设计开展SLS制备，系统地研究了添加α-SiC颗粒对打印粉体流动性、打印多孔素坯微结构演变和反应熔渗后SiC复合材料力学-热学性能的影响规律，分析了复合材料微观组织形成/演变机制和材料强韧化机制。本期谷.专栏将分享该论文的要点。
研究结果与讨论
随着初始原料配比中α-SiC含量增加，Cf-SiC-PR复合粉体的流动特性指数不断实现优化提升，打印素坯微观结构分布均匀，纤维取向表现为很好的各向同性，并发现了特征性的激光打印颈部(图2~3)。
图1.SLS制备SiC复合材料流程示意图
图2.激光打印用Cf-SiC-PR复合粉体的流动性：(a)休止角；(b)堆积密度和振实密度；(c)卡尔指数和豪斯纳比
图3.不同SiC含量的复合材料素坯微观结构：(a)SiC:IM=0;(b)SiC:IM=0.20;(c)SiC:IM=0.33;(d)SiC:IM=0.53;(e)SiC:IM=0.67;(f)SiC:IM=1.
熔渗后的复合材料由初始引入的α-SiC、反应生成的β-SiC、残余碳和游离Si相构成。随着α-SiC含量增加，熔渗后SiC复合材料的体积密度、断裂韧性先增加后减小。当α-SiC含量为15vol%时，体积密度和断裂韧性可达2.±0.g/cm3、3.30±0.06MPa·m1/2，此时对应的弯曲强度为±11MPa(图4)。此外，本研究首次报道了SLS-SiC复合材料的高温力学性能：℃时的弯曲强度较室温增加15%为±18MPa(图5)。本文还研究了复合材料的热学性能，发现热膨胀系数(CTE)随温度增加而增加，℃的CTE为4.59×10-6/K。同时，室温热导率最高为92.48W·m?1·K?1，高于目前文献报道SLS-SiC复合材料(图6)。
图4.SiC复合材料的室温力学性能：(a)开气孔率与体积密度;(b)弯曲强度与断裂韧性
图5.SiC复合材料的高温力学性能：(a)高温弯曲强度;(b)位移-载荷曲线；(c)oC断口形貌；(d)涉及反应的吉布斯自由能
图6.SiC复合材料的热学性能：(a)热膨胀系数;(b)比热；(c)热扩散系数；(d)热导率
图7.SLS制备的具有复杂结构的素坯和复合材料的实物图：(a)涡轮叶片;(b)轻量化光学部件(下标1、2、3分别代表模型、打印素坯和反应熔渗后的SiC复合材料)
研究团队最终获得了宏观构型复杂精细、微观结构连续可调、力学物理性能优异的SiC复合材料构件(图7)。该项研究工作也为采用SLS3D打印技术高效快速制备高性能SiC复合材料提供理论依据和技术支撑。
论文引用信息：
ChenX,YinJ,HuangL,etal.Microstructuraltailoring,mechanicalandthermalpropertiesofSiC