辽宁大学物理学院、松山湖材料实验室、东莞职业技术学院团队合作，采用粉末挤出打印＇�/span>PEP）增材制造技术结合一步烧结法，成功制备出含原位合戏�/span>Y₃�/span>Al₁�/span>O₉（YAM）的高密度（97%（�/span>SiC陶瓷，且无需任何后处理、�/span>相关成果�?/span>‛�/span>A novel approach to prepare high density SiC ceramics by powder extrusion printing (PEP) combined with one-step sintering method”为题，发表在陶瓷领域的权威期刊〉�/span>Journal of the European Ceramic Society》上、�/span>

背景

碳化硅（SiC）陶瓷因其高熔点、高硬度、优异的高温机械性能与化学稳定性，在半导体、核能、航空航天等高技术领域具有广泛的应用前景。随着半导体工业的快速发展，对复杂结枃�/span>SiC陶瓷件的需求日益增长。传统的陶瓷成型工艺难以高效制备复杂形状的构件，而增材制造（AM）技术为此提供了新的解决方案、�/span>粉末挤出打印＇�/span>PEP）作为一种新兴的增材制造工艺，具有成本低、设备要求简单、操作便捷等优势，尤其适用于陶瓷材料的复杂结构成形、�/span>

▲升华三维粉末挤凹�/span>3D打印工艺示意国�/span>

然而，SiC陶瓷因其共价键性强、自扩散系数低，难以在烧结过程中实现致密化，通常需要后处理工艺如渗硅、反应熔渗等，这些方法不仅延长了制备周期，还可能引入残留硅，降低材料的高温性能。因此，开发一种无需后处理即可实现高致密SiC陶瓷的制备方法具有重要意义、�/span>

摘要

关键词：粉末挤出打印＇�/span>PEP）、增材制造（AM）、碳化硅陶瓷�?/span>Y₃�/span>Al₁�/span>O₈�/span>(YAM)、一步烧结；原文链接９�/span>

本研究提出采�?/span>PEP增材制造技术结合一步烧结法，成功制备出含原位合戏�/span>Y₃�/span>Al₁�/span>O₉（YAM）的高密度（97%（�/span>SiC陶瓷，且无需任何后处理、�/span>该工艺系统研究了SiC生坯的打印、脱脂与烧结过程，并通过多种表征手段分析了材料的微观结构与力学性能。研究首次通过高分辨透射电镜＇�/span>HRTEM）揭示了YAM不�/span>SiC之间的晶体学取向关系为（040（�/span>YAM//＇�/span>10`11（�/span>SiC咋�/span>[102]YAM//[1`210]SiC。烧结后皃�/span>SiC样品密度丹�/span>3.11g/cm³，维氏硬度为19.35±0.28GPa，三点弯曲强度为225±27MPa、�/span>该研究表明，PEP结合一步烧结法为制备具有复杂形状、高密度和优异力学性能皃�/span>SiC陶瓷提供了新策略、�/span>

图片解析

▲图1. (a)粉末挤出打印工艺示意图，(b)由不吋�/span>f形成的两个生坯，(c)用于机械性能测试的烧结后生坯、�/span>

▲图2. (a)表面改性粉体示意图＋�/span>(b)表面改性粉佒�/span>FTIR光谱，（c�?/span>d）原料在相容和交联过程中的示意图＋�/span>(e)原料形貌及图(e)中原料的插图为宏观形貌，(f)原料高分辨率图像、�/span>

▲图3.＇�/span>a＋�/span>b）生�?/span>A＇�/span>f=10mm/s）的表面形貌及结合工艺示意图，（c＋�/span>d）生�?/span>B�f =12 mm/s）的表面形貌及结合工艺示意图、�/span>

▲图4. (a)SiC生坯皃�/span>TG-DSC＋�/span>(b)SiC生坯的脱附温度曲线，(c)SiC生坯脱附前的FTIR光谱＋�/span>(d)SiC生坯脱附后的FTIR光谱、�/span>

▲图5.SiC�?/span>1200-1950℃温度下烧结的生坯的XRD图谱、�/span>

▲图6.烧结SiC皃�/span>2D咋�/span>3D微观结构，（a＋�/span>b）样�?/span>A＋�/span>(c＋�/span>d）样�?/span>B、�/span>

▲图7.烧结SiC（样�?/span>B）的SEM图像咋�/span>EDS结果、�/span>

▲图8.＇�/span>a＋�/span>b）为烧结SiC（样�?/span>B）的TEM图像，（c＋�/span>d）为烧结SiC（样�?/span>B）的SAED图谱、�/span>

▲图9.＇�/span>a＋�/span>b）为烧结SiC皃�/span>TEM图像叉�/span>STEM-EDS元素分布图，(c)丹�/span>SiC-YAM界面皃�/span>HRTEM图像，（d＋�/span>e＋�/span>f）分别对应图9(c)�?/span>d�?/span>e�?/span>f区域的傅里叶变换散射图、�/span>

▲图10.＇�/span>a）金刚石压头在烧绒�/span>SiC（样�?/span>B）表面形成的微压痕形貌；＇�/span>b）烧绒�/span>SiC（样�?/span>B）的裂纹扩展路径SEM图像；（c）三点弯曲断口的SEM图像，插图为相应SiC（样�?/span>B）三点弯曲测试后的光学照片；＇�/span>d）三点弯曱�/span>SiC（样�?/span>B）断裂表面的高倍显微图像、�/span>

结果与讨讹�/span>

1.丝材重叠度对生坯质量的影响：通过调控打印参数中的螺杆挤出速度＇�/span>f），研究团队发现较高的丝材重叠率（η）可显著提高生坯密度，但会略微降低表面质量。当f=12mm/s时，生坯密度可达2.15g/cm³，重叠率丹�/span>34%，烧结后样品密度提升臲�/span>3.11g/cm³、�/span>

2.脱脂与烧结过程的优化９�/span>通过TG-DSC咋�/span>FTIR分析，确定了脱脂工艺可完全去除聚合物粘结剂而不破坏结构完整性。在烧结过程中，Y₁�/span>O₃与Al₁�/span>O₃在1400°C先形戏�/span>YAG＇�/span>Y₂�/span>Al₄�/span>O₁₂），�?/span>1800°C以上进一步反应生戏�/span>YAM，并分布亍�/span>SiC颗粒之间的三叉晶界处，有效促进致密化、�/span>

3.微观结构与界面分析：SEM咋�/span>TEM结果显示＋�/span>YAM均匀填充�?/span>SiC颗粒之间，减少了孔隙，提高了材料密度、�/span>HRTEM咋�/span>FFT分析首次明确亅�/span>YAM不�/span>6H-SiC之间存在共格界面，晶格失配率仅为3.9%，表明两者具有良好的界面结合、�/span>

4.力学性能９�/span>烧结样品表现出优异的力学性能：维氏硬度达19.35GPa，三点弯曲强度为225MPa。裂纹在压痕周围沿晶界曲折扩展，表明显著提高了材料的断裂韧性、�/span>

结论

本研究成功开发了一种基亍�/span>PEP增材制造与一步烧结法制备高密�?/span>SiC陶瓷的新工艺，具有以下突出优势：

基于PEP增材制造的优势

l无需后处理：通过原位合成YAM实现致密化，避免了传统后处理工艺带来的残留硅问题：�/span>

l高密度与优异力学性能９�/span>密度辽�/span>3.11g/cm³，硬度与弯曲强度均达到工程应用要求；

l晶体学界面关系明确：首次揭示YAM不�/span>SiC之间的共格界面关系，为材料设计提供理论基础：�/span>

l工艺简单、成本低９�/span>PEP技术设备要求低，适用于复杂结构件的快速成形、�/span>

该技术为高性能SiC陶瓷在高温结构件、光学平台、电子封装等领域的应用提供了新的制造策略，具有重要的科学与工程意义、�/span>