3Dプリント導電性シリコンカーバイド（SiC）セラミック技術は、従来の金属導体の温度関連の電気特性を解決できる。

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-8-27 08:57 に最後に編集されました

南極のクマはじめに: シリコンカーバイドはシリコンと炭素で構成された半導体で、世界で 3 番目に硬い材料です。この記事では、3D プリント技術を通じて従来の製造上の問題を解決する方法についてさらに詳しく説明します。

2022年8月27日、Antarctic Bearは、研究者グループが最近、Additive Manufacturing誌に論文を発表し、バット光重合3D印刷技術を使用して印刷された導電性シリコンカーバイド（SiC）セラミックが、高温での従来の導電性セラミック（ECC）の電気的性能の問題を効果的に解決できることを実証したことを知りました。

△シリコンカーバイドの模式図
技術的背景<br /> 導電性セラミックス (ECC) は、高い熱伝導性、優れた耐摩耗性と耐腐食性、高温での優れた硬度により、バッテリー、ガスセンサー、燃料電池、触媒担体などの用途で広く使用されています。

導電性セラミックスの緻密な構造は熱伝導率の向上には有益ですが、セラミックスの熱管理能力を妨げます。したがって、この材料は一般に、高温では温度に依存する電気的挙動を示します。

600°C を超える温度で高い導電性と電気的安定性を示す導電性セラミックを開発するには、導電性セラミック構造をマクロからナノまで複数の長さスケールで設計する必要があります。

しかし、セラミックは脆いため、複雑な形状に加工することが困難です。しかし、3D プリント技術の発展により、この技術がカスタマイズされた構造を持つ導電性セラミックスの製造に最適なソリューションであることが証明されました。

現在、3Dプリント導電性セラミックスの研究では、主に導電性シリコンカーバイドセラミックスなどの半導体を3Dプリントの入力材料として扱い、バインダージェッティングや直接インク書き込み技術を使用して製造しています。

しかし、使用される印刷技術は構造解像度が限られており、触媒やマイクロ波光学などの実際の用途に必要な電気的特性を備えていません。

研究によると、さまざまな 3D 印刷技術の中で、バット光重合 3D 印刷技術は、印刷されたマクロ構造を正確に操作し、高解像度で微細な特徴を印刷できるため、ハニカムまたは格子状のセラミックの印刷に適しています。

バット光重合技術を用いて印刷されたセラミックを加熱して得られる中空セラミック構造は非常に軽く、固体セラミックと同様の硬度を示します。

さらに、3D プリントのユニークな層ごとの製造特性により、印刷プロセス中に充填材が 3 次元空間に均一に分散され、製造された構造の導電性が向上します。

△この研究は「導電性シリコンカーバイドの3Dプリント」というタイトルでサイエンスガイドに掲載されました。詳細はこちら（ポータル）
大型バレル光重合3Dプリント技術<br /> 研究チームはこの3Dプリント技術を通じて、低い熱伝導性と高い電気伝導性を兼ね備えた3Dプリント導電性炭化ケイ素セラミックスを製造しました。

ナノスケールの多孔質構造と高い比表面積を持つメソポーラスシリカを原料として利用し、断熱性能を効果的に実現します。導電性充填材であるグラフェンをセラミック混合物に加えることで、セラミック内に導電性ネットワークが形成されます。

まず、ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(PEGDA)、グラフェン、および15重量%のメソポーラスシリカを混合して、グラフェン/シリカ混合物を得ました。次に、調製した混合物に、紫外線（UV）光開始剤としてフェニルビス（2,4,6-トリメチルベンゾイル）ホスフィンオキシド0.5重量％を添加した。さらに、高解像度印刷を容易にするために、光吸収剤である2-ニトロフェニルフェニルスルフィドを0.04重量％添加しました。

多孔質シリカとグラフェンの重量比は 0.015 wt% から 0.1 wt% まで変化しました。固体粒子の沈殿および凝集を防ぐために、分散剤として 2 wt % の PEGDA を混合物に添加しました。前駆体を超音波装置で 2 時間混合し、グラフェン / 二酸化ケイ素インクを調製しました。

その後、マスク画像投影に基づく特注のバット光重合プリンターが、多孔質シリカ/グラフェンナノ複合材料の製造に採用されました。 3D プリントされたセラミック構造は、スパークプラズマ焼結 (SPS) プロセスを使用して焼結されました。

△炭化ケイ素、研磨材を生産する工業企業
多孔質導電性炭化ケイ素セラミックサンプルの 3D プリントに成功<br /> バット光重合 3D 印刷プロセスによる印刷層の厚さは 0.05 mm であり、構造的完全性が良好であることが確認されています。

グラフェン-シリカナノ複合材料では、グラフェンシートが多孔質シリカの足場に挟まれています。熱分解後、グラフェンはシロキサンネットワークに浸透し、強力なシリコンカーバイドマトリックスを形成します。

焼結温度が 1400 °C 未満の場合、印刷されたサンプルに非晶質構造が観察されましたが、1400 °C では、β 相炭化ケイ素と二酸化ケイ素石英が観察されました。これは、ケイ素 - 酸素結合の一部がケイ素 - 炭素結合に置き換えられ、多孔質の生の二酸化ケイ素が不活性な高温環境で結晶化したことを示しています。

ケイ素-炭素結合を形成していない炭素物質がシリカ骨格に浸透し、多数の細孔を形成します。さらに、カルボニルガスとメチレンガスの揮発により新たな細孔が形成されます。これら 2 つの要因は、高温での大幅な収縮を制限する上で重要な役割を果たします。したがって、印刷されたサンプルと焼結されたサンプルの両方で、大きな収縮は観察されませんでした。

焼結導電性セラミックスでは、10～150 nm の範囲の細孔サイズを持つメソポーラス構造が観察されました。 3D プリントされた導電性セラミックの熱伝導率は 62 ～ 88 mW/mK と低かった。グラフェンの強力な面内結合により、グラフェン濃度が増加すると熱伝導率はわずかに増加します。

印刷された多孔質サンプルは熱伝導を効果的に遮断し、サンプル温度は 89.2°C に維持され、優れた熱性能が実証されました。

0.02wt% グラフェン/シリカサンプルは最大圧縮応力 46.625MPa に耐えましたが、破損時の最高圧縮ひずみ 0.142 は 0.10wt% グラフェン/シリカナノ複合材料を使用した導電性セラミックで観測されました。

SPS 処理した 0.10wt% グラフェン/シリカグラフェン-シリカナノ複合材料は、最大圧縮強度 57.947MPa を示し、未処理サンプルより 96.19% 高く、SPS 処理によりサンプルの機械的特性が効果的に向上したことを示しています。

一方、グラフェン濃度が 0.02 から 0.10 wt% に増加すると導電性が増加し、グラフェンの浸透により導電経路が形成されることを示しています。印刷された導電性セラミックの最大導電率は 680 S m-1 で、多孔質の原料シリカがグラフェン浸透のための高い比表面積を提供するため、従来の導電性セラミック複合材に比べて大幅に改善されています。

最終的に、3Dプリントセラミックスの最小および最大の体積密度値はそれぞれ0.366 g cm-3〜0.897 g cm-3であり、サンプルは非常に軽い構造を示しました。さらに、3D プリントされた導電性セラミックは、64 個の発光ダイオード (LED) と 5V DC で駆動するマイクロコントローラボードで構成される回路で使用したときに、安定した電気的性能を示しました。

優れた熱管理能力により、印刷されたセラミックは室温から 600°C まで一定の抵抗率を維持しました。これは、3D 印刷された導電性シリコンカーバイドが温度変化の影響を受けにくいことを示しています。さらに、多孔質構造により熱バリアが形成され、安定した導電性が維持され、導電ネットワークが保護されます。

要約すると、この研究の結果は、高温環境で動作するアプリケーションで 3D プリントされた導電性多孔質 SiC セラミックを使用し、従来の金属導体の温度関連の電気性能の問題に対処する実現可能性を示しています。

3Dプリント導電性シリコンカーバイド（SiC）セラミック技術は、従来の金属導体の温度関連の電気特性を解決できる。

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