中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
碳化硅（SiC）陶瓷結構件在各類(lèi)新應用場(chǎng)景的需求逐漸增多。例如，核工業(yè)領(lǐng)域的大尺寸復雜形狀SiC陶瓷核反應堆芯；集成電路制造關(guān)鍵裝備光刻機的SiC陶瓷工件臺、導軌、反射鏡、陶瓷吸盤(pán)、手臂等；新能源鋰電池生產(chǎn)配套的中高端精密SiC陶瓷結構件；光伏行業(yè)生產(chǎn)用擴散爐配套高端精密SiC陶瓷結構件和電子半導體高端芯片生產(chǎn)制程用精密高純SiC陶瓷結構件。然而，由于SiC是Si-C鍵很強的共價(jià)鍵化合物，硬度僅次于金剛石，具有頗高的硬度和顯著(zhù)的脆性，故精密加工難度大。因此，大尺寸、復雜異形中空結構精密SiC結構件的制備難度較高，限制了SiC陶瓷在諸如集成電路這類(lèi)高端裝備制造領(lǐng)域中的應用，而3D打印技術(shù)可有效解決這一難題。3D打印SiC陶瓷制備技術(shù)已成為目前SiC陶瓷研究和應用的發(fā)展方向之一。3D打印SiC陶瓷主要為反應燒結SiC陶瓷，多數密度低于2.95?g·cm-3，硅含量通常大于30vol%甚至高達50?vol%。由于硅熔點(diǎn)低于1410?℃，導致硅使用溫度較低，限制了3D打印SiC陶瓷在半導體領(lǐng)域（如LPCVD）的應用場(chǎng)景。
中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃政仁團隊研究員陳健，在前期提出高溫熔融沉積結合反應燒結3D打印SiC陶瓷的基礎上，進(jìn)一步將陶瓷打印體等效碳密度從0.80 g·cm-3提高至接近理論等效碳密度0.91 g·cm-3。等效碳密度的增加致使滲硅難度呈指數級提升，直接液相滲硅易阻塞通道致使滲硅失效。近期，該團隊提出了氣相與液相滲硅聯(lián)用逐次滲硅方法，通過(guò)氣相熔滲反應形成多孔SiC殼層，避免高碳密度的陶瓷打印體在液相滲硅初期發(fā)生快速劇烈反應，同時(shí)限制液態(tài)硅與固體碳的接觸面積。這樣不會(huì )發(fā)生熔滲通道的堵塞，使得后續的液相反應可緩慢且持續進(jìn)行。該研究制備的SiC陶瓷密度可達3.12 g·cm-3，硅含量降低至10?vol%左右，抗彎強度和彈性模量分別達到465?MPa和426?GPa，力學(xué)性能與常壓固相燒結SiC陶瓷相當，可提高SiC陶瓷環(huán)境使用溫度。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《歐洲陶瓷學(xué)會(huì )雜志》（Journal Of The European Ceramic Society）上，并申請中國發(fā)明專(zhuān)利2項（其中1項已授權）。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金面上項目和上海市自然科學(xué)基金等的支持。?
3D打印SiC陶瓷示意圖
氣相滲硅形成的多孔SiC殼層
采用氣相和液相聯(lián)用滲硅得到的SiC陶瓷力學(xué)性能
