シリコンカーバイドセラミックスの酸化前表面改質に基づく表面露出3Dプリンティングとin-situ変換技術

シリコンカーバイドセラミックスの酸化前表面改質に基づく表面露出3Dプリンティングとin-situ変換技術
寄稿者: Qi Shuhao、Lian Qin 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室 出典: 中国機械工学会付加製造技術 (3D プリント) 支部

炭化ケイ素セラミックスは、低密度と強力な高温機械的特性の利点があり、航空タービンエンジンのホットエンド部品、超音速航空機の熱保護システムなどの分野で幅広い応用が期待されています。セラミック光硬化3Dプリント技術は、複雑なセラミック部品の高精度製造に新たな発展の機会を提供します。現在、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素などの酸化物セラミックの光硬化3Dプリント技術は比較的成熟しており、炭化ケイ素セラミック材料は酸化物セラミックよりも紫外線吸収率が高いため、光硬化成形プロセス中に紫外線がより厚い液体セラミックスラリーを透過できず、硬化した単層の厚さが不十分になり、大きく複雑な部品の印刷が困難になり、層間結合強度に影響を与え、成形された部品の性能が低下します。

深セン大学付加製造研究所の曹継偉らは、表面前酸化、表面露出3Dプリント、後処理の原位置変換技術を組み合わせてシリコンカーバイド材料を作製する方法を開発しました[1]。この方法の具体的な手順を図1に示します。まず、炭化ケイ素粉末を1200℃で4時間予備酸化します。このとき、炭化ケイ素粉末の外層は二酸化ケイ素に酸化され、二酸化ケイ素の殻に包まれた炭化ケイ素構造を形成します。次に、予備酸化された粉末を液体感光性樹脂とフェノール樹脂と混合して、印刷に必要なセラミックスラリーを得ます。試験結果によると、改質セラミックスラリーの405nm紫外線に対する吸収率は0.36から0.28に低下し、セラミックスラリーへの紫外線の投影深度は6.32μmから12.82μmに増加し、印刷された単層の厚さが大幅に増加しました。その後、印刷された部品は2段階のプロセスを使用してアルゴンで焼結されました。焼結温度が600°Cに達すると、セラミック部品のフェノール樹脂は緩い多孔質の熱分解炭素に変換されました。焼結温度が1400°Cに達すると、炭化ケイ素粉末の二酸化ケイ素シェルが熱分解炭素と反応し、その場で炭化ケイ素に変換されました。最終的に形成された部品の酸素含有量はわずか2.08%であり、この方法で高純度の炭化ケイ素材料を形成できることが証明されました。


図1 表面前酸化処理によるシリコンカーバイドセラミック材料の製造フローチャート。また、フェノール樹脂の熱分解プロセスで生成される熱分解炭素は緩く多孔質であるため、後処理の原位置変換中に、シリカシェルが熱分解炭素と反応して、シリコンカーバイドナノウィスカーと粒状シリコンカーバイドの2つの微細構造を生成します。そのうち、シリコンカーバイドナノウィスカーは、材料の破壊プロセス中に「ブリッジ効果」を生み出し、ある程度の破壊の発生に抵抗し、成形部品の機械的特性を向上させる上でも重要な役割を果たします。研究チームは、上記で開発した方法を使用して、さまざまな炭化ケイ素セラミック部品の印刷に成功しました(図2を参照)。これにより、このプロセスは複雑な部品を安定して形成できる能力があることを証明しました。これは、高精度で大型の炭化ケイ素セラミック光硬化印刷技術の将来の開発において重要な役割を果たすことになります。


図2 3Dプリントと予め酸化された炭化ケイ素表面のin-situ変換技術によって作成された複雑な部品 参考文献:
Jiwei C ,Kai M ,Shufeng X , et al. 3DプリンティングとSiCnw/SiC構造のin situ変換[J]. Additive Manufacturing,2022,58.


シリコンカーバイド、セラミック

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