激光粉末床熔合法制備三周期極小曲面Si/SiC陶瓷晶格

供稿人：鄭譽(yù)、連芩
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打?。┓謺?br />
SiC陶瓷晶格結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)越的比強(qiáng)度和多種熱性能，在高價(jià)值工程領(lǐng)域的需求日益增加。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的SiC陶瓷稱為可能。華中科技大學(xué)史玉升等人【1】將Gyroid型三周期極小曲面（TPMS）結(jié)構(gòu)引入到SiC復(fù)合材料中，系統(tǒng)地進(jìn)行了一種新型的增材制造、力學(xué)性能和斷裂機(jī)制的實(shí)驗(yàn)分析以及相關(guān)的有限元模擬驗(yàn)證的集成工藝。

該研究團(tuán)隊(duì)采用激光粉末床熔合（LPBF）結(jié)合液態(tài)硅熔滲（LSI）工藝制備Si/SiC陶瓷晶格結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。原材料粉末由85wt%SiC（D0.5=46μm）與15wt%環(huán)氧樹脂E12（D0.5=13μm）粉末混合而成。LPBF加工參數(shù)為：激光功率為10W，掃描速度為2000mm/s，掃描間距為0.12mm，粉末層厚度為0.1mm。打印的素坯在氬氣氣氛下進(jìn)行碳化處理以去除環(huán)氧樹脂后，在真空環(huán)境下浸漬酚醛樹脂并進(jìn)行固化和碳化以提高碳密度，最終在1500℃下進(jìn)行LSI得到最終的Si/SiC陶瓷晶格結(jié)構(gòu)。

圖1 Si/SiC陶瓷晶格結(jié)構(gòu)制造工藝流程圖

制造的Si/SiC陶瓷晶格結(jié)構(gòu)如圖2所示。經(jīng)測試，Si/SiC復(fù)合材料的體積密度為2.687~2.747g/cm3，開孔率為0.275~0.676%，收縮率多數(shù)小于6％，制造精度高；隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，觀察到Si/SiC三周期極小曲面結(jié)構(gòu)沿載荷方向斷裂帶由45°面向豎直面過渡；不同體積分?jǐn)?shù)的Si/SiC材料應(yīng)力分布相似，應(yīng)力水平隨體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，應(yīng)力集中可能出現(xiàn)在支板中部；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)從25%增加到55%時(shí)，Si/SiC復(fù)合材料的彈性模量從121.9MPa增加到932.0MPa，抗壓強(qiáng)度從2.3MPa增加到16.3MPa。相對模量和抗壓強(qiáng)度的擬合表達(dá)式與Gibson-Ashby模型相比具有更高的精度，表明Si/SiC陶瓷晶格結(jié)構(gòu)是彎曲主導(dǎo)的變形模式。

圖2 不同體積分?jǐn)?shù)Si/SiC陶瓷晶格結(jié)構(gòu)變形行為及斷裂模式

該研究成果實(shí)現(xiàn)了Si/SiC三周期極小曲面陶瓷晶格結(jié)構(gòu)的制備、力學(xué)性能分析和斷裂帶轉(zhuǎn)變分析的集成流程。此外，所提出的有限元分析方法可以對任意形狀的陶瓷晶格的力學(xué)特性和斷裂行為進(jìn)行預(yù)測，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，也為基于SiC陶瓷的三周期極小曲面結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：
S. Wu, L. Yang, C. Wang, C. Yan, Y. Shi Si/sic ceramic lattices with a triply periodic minimal surface structure prepared by laser powder bed fusion Addit. Manuf., 56 (2022), Article 102910