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、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　
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打�。┓謺�

SiC陶瓷晶格結構由于其優(yōu)越的比強度和多種熱性能，在高價值工程領域的需求日益增加。隨著增材制造技術的發(fā)展，制造復雜結構的SiC陶瓷稱為可能。華中科技大學史玉升等人【1】將Gyroid型三周期極小曲面（TPMS）結構引入到SiC復合材料中，系統(tǒng)地進行了一種新型的增材制造、力學性能和斷裂機制的實驗分析以及相關的有限元模擬驗證的集成工藝。

該研究團隊采用激光粉末床熔合（LPBF）結合液態(tài)硅熔滲（LSI）工藝制備Si/SiC陶瓷晶格結構示意圖如圖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行固化和碳化以提高碳密度，最終在1500℃下進行LSI得到最終的Si/SiC陶瓷晶格結構。

圖1 Si/SiC陶瓷晶格結構制造工藝流程圖

制造的Si/SiC陶瓷晶格結構如圖2所示。經測試，Si/SiC復合材料的體積密度為2.687~2.747g/cm3，開孔率為0.275~0.676%，收縮率多數小于6％，制造精度高；隨著體積分數的增加，觀察到Si/SiC三周期極小曲面結構沿載荷方向斷裂帶由45°面向豎直面過渡；不同體積分數的Si/SiC材料應力分布相似，應力水平隨體積分數的增大而增大，應力集中可能出現在支板中部；當體積分數從25%增加到55%時，Si/SiC復合材料的彈性模量從121.9MPa增加到932.0MPa，抗壓強度從2.3MPa增加到16.3MPa。相對模量和抗壓強度的擬合表達式與Gibson-Ashby模型相比具有更高的精度，表明Si/SiC陶瓷晶格結構是彎曲主導的變形模式。

圖2 不同體積分數Si/SiC陶瓷晶格結構變形行為及斷裂模式

該研究成果實現了Si/SiC三周期極小曲面陶瓷晶格結構的制備、力學性能分析和斷裂帶轉變分析的集成流程。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特性和斷裂行為進行預測，對結構設計具有指導意義，也為基于SiC陶瓷的三周期極小曲面結構的實際應用提供了指導。

參考文獻：
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