引入分級SiO2改善光固化SiC陶瓷漿料的性能

供稿人：鄭譽 連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室


由于SiC粉末具有較高的光吸收率和折射率，使得SiC陶瓷漿料具有固化厚度低、打印效率低、沉降性能差等特點，成為了快速立體光固化打印SiC陶瓷元件的一個關鍵挑戰(zhàn)。中科院上海陶瓷研究所Tang等人[1]通過引入分級SiO2有效改善了SiC漿料的固化厚度、流變性和沉降性能，使得漿料的印刷精度大于75μm，動態(tài)粘度小于2pa⋅s、 24h沉降高度小于5%。這一技術展示了快速立體光刻大尺寸SiC陶瓷坯體的誘人可能性和廣闊前景。

該團隊采用了HDDA，TMPTA，PEGDA三種單體、粗石英（SiO2，平均粒徑D50=46μm）、細石英（SiO2，平均粒徑D50=2μm）和SiC粉末（平均粒徑為D50=30μm）為漿料主要原料。在綜合考慮了漿料的粘度、固化厚度和沉降性能的基礎上，確定了各種漿料參數(shù)：三種單體HDDA:TMPTA:PEG600DA的比例為7：2：1，使得漿料在達到140μm左右的固化厚度的同時保持較低的粘度；分散劑PEG的含量為7.5wt％，以解決細SiO2引入帶來的顆粒團聚現(xiàn)象，同時優(yōu)化了漿料的粘度和沉降性能；引入了15vol％的粗細SiO2顆粒，由于SiO2具有低吸光度和低折射率的特性，大大優(yōu)化了原SiC漿料的光固化性能，固相含量提升到47.5vol％，減少了脫脂后的收縮變形。當粗細SiO2的比例為3：7時，漿料具備了合適的粘度，24h沉降高度小于5%；最后確定了光引發(fā)劑BAPO的加入量為2wt％，可以發(fā)揮最大的引發(fā)活性。漿料的最佳配比如表1所示：

△表1 最佳漿料配比

根據試驗結果，通過DLP-3D打印，以最佳漿料比例成型形狀復雜的坯體。曝光功率設置為12.8 mw/cm2，曝光時間設置為10 s。STL模型和素坯如圖1所示。從圖中可以看出，坯體精度高，表面質量好，沒有明顯的氣孔或缺陷。此外，從SEM圖像可以看出，細SiO2顆粒沒有明顯的團聚。

△圖1 （a-c）素坯的STL格式模型；（d-e）素坯；（f） 素坯的SEM圖像

研究中為了提高SiC感光漿料的固化厚度和沉降性能，通過引入低吸光度的SiO2粉體，提出了一種制備高固含量、低沉降、高固化厚度、低粘度漿料的新途徑。系統(tǒng)深入地分析了影響光敏漿料固化厚度、流變性能和沉降性能的主要因素。詳細研究了光敏單體、光引發(fā)劑、分散劑、分級SiO2和SiC固含量對漿料粘度、固化厚度和沉降性能的影響。動態(tài)粘度<2pa的SiC感光漿料⋅制備s和24小時沉淀高度<5%的樣品。測試了DLP和SLA打印機所用漿料的打印參數(shù)。合適的印刷精度為70～100μm。通過引入分級SiO2，固化厚度增加了50%以上，固含量增加了42.6%，印刷效率提高了30%以上，為大尺寸碳化硅陶瓷坯體的立體光刻提供了一條新途徑。

參考文獻：Tang, J., et al., 用于快速立體光刻的 SiC 陶瓷光敏漿料的制備。 歐洲陶瓷學會雜志，2021。41（15）：p。 7516-7524。