日前，美國布法羅大學(xué)的科研團(tuán)隊通過3D打印成功制備高電導(dǎo)率和高溫電氣可靠性的導(dǎo)電碳化硅陶瓷，并通過放電等離子燒結(jié)有效提升材料機(jī)械性能，同時拓寬了增材制造和碳化硅功能陶瓷的應(yīng)用潛力。該成果以“3D-printed electrically conductive silicon carbide”為題發(fā)表在Additive Manufacturing期刊。

論文地址：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103109

導(dǎo)電陶瓷（ECC）的發(fā)展趨勢是可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度以及高導(dǎo)電性，在結(jié)構(gòu)電極、導(dǎo)體、催化劑載體等方面提供應(yīng)用。然而，雖然致密結(jié)構(gòu)有利于提高導(dǎo)熱性，但卻會阻礙陶瓷的熱管理能力，其工作溫度受到限制。并且傳統(tǒng)制備方式很難將陶瓷加工成復(fù)雜的形狀，也限制了其發(fā)展應(yīng)用的空間。

在這項研究中，研究人員使用大桶光聚合3D打印技術(shù)（一種自下而上的增材制造方法）來制造同時具有低導(dǎo)熱性和高導(dǎo)電性的3D導(dǎo)電SiC陶瓷結(jié)構(gòu)。以具有納米級多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的介孔二氧化硅為原料，有效地實(shí)現(xiàn)了隔熱特性。石墨烯是一種導(dǎo)電填充材料，被摻入陶瓷混合物中以允許在陶瓷中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。最后將得到的多孔二氧化硅/石墨烯納米復(fù)合材料用放電等離子燒結(jié)(SPS)工藝燒結(jié)。當(dāng)燒結(jié)溫度低于1400℃時，打印樣品中觀察到非晶結(jié)構(gòu)，而在1400 ℃時觀察到β相SiC和二氧化硅方石英，表明部分硅氧鍵被硅取代-碳鍵和多孔原料二氧化硅在惰性和高溫環(huán)境中結(jié)晶。

與傳統(tǒng)的導(dǎo)電陶瓷復(fù)合材料相比，由于多孔原料二氧化硅為石墨烯滲透提供的高比表面積，其電導(dǎo)率顯著提高，可達(dá)1000 Sm^-1；良好的熱管理能力，可達(dá)62 mW m^-1K^-1至88 mWm^-1K^-1；SPS處理復(fù)合材料的最大抗壓強(qiáng)度為57.947 MPa，與未經(jīng)處理的樣品相比提高了96.19%，表明SPS處理有效地增強(qiáng)了樣品的機(jī)械性能；打印的陶瓷在室溫到600℃之間保持恒定的電阻率，這表明3D打印的SiC不易受溫度變化的影響。此外，多孔結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了一個熱障，以保持穩(wěn)定的導(dǎo)電性并保護(hù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

拓展：關(guān)于大桶光聚合3D打印

大桶光聚合3D打印主要分類

這是一類通過使用光活化聚合選擇性地固化光敏聚合物液體樹脂的打印技術(shù)，會將液體光敏聚合物保存在容器或大桶中，構(gòu)建平臺部分浸沒在液體表面。這即是“大桶”的由來。其總體優(yōu)勢在于細(xì)節(jié)精度高，過程迅速；缺點(diǎn)是成本高，且打印完成后，由于樹脂依然受紫外線影響，會隨著時間的推移而翹曲和彎曲。

比如，立體光固化成型(SLA)是將施工平臺浸沒后，機(jī)器內(nèi)的單點(diǎn)激光通過水箱底部繪制設(shè)計的橫截面區(qū)域，從而硬化材料。一旦該層被激光映射和硬化，平臺就會上升并允許新的樹脂層在物體下方流動。該技術(shù)逐層完成，直到形成固體部分。之后，這些部件通常使用紫外線輻射進(jìn)行后固化，以提高其機(jī)械質(zhì)量。其它主要的大桶光聚合打印方式還有直接光處理(DLP)和連續(xù)直接光處理(CDLP)。

編譯整理 YUXI

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復(fù)制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責(zé)任。