深度融合：3D打印技术推动反应烧结碳化硅陶瓷应用增长

碳化硅陶瓷具有强度高、硬度高、化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等特点。碳化硅作为特种陶瓷中的结构陶瓷类别，被广泛应用于各种先进制造领域。

▲碳化硅陶瓷应用领域

反应烧结碳化硅（Reaction-Bonded Silicon Carbide, RBSC）是将原料成型体（碳化硅微粉、石墨、炭黑、粘结剂及各种添加剂）在1720度高温下通过固相，液相和气相相互间发生化学反应，同时进行致密化和规定组分的合成，得到近尺寸的烧结体过程。反应烧结碳化硅具有高温强度大、抗氧化性强、耐酸碱腐蚀性强、热稳定性能好、热导率高、硬度仅次于金刚石具有高耐磨性。现已被加工成碳化硅喷火嘴烧嘴套、横梁辊棒、冷风管、辐射管、碳化硅耐磨内衬等各种耐高温，耐磨，耐腐蚀性产品。并广泛应用于电力、钢铁、陶瓷、高温窑炉、矿山、煤炭、石油、化工、机械制造等各个行业领域，并得到社会各界的广泛认可。

然而随着国家高技术产业的快速发展和需求的增加，碳化硅市场前景愈发广阔，相应的应用要求也日趋严格。特别是在复杂碳化硅产品的制造方面，对航空航天、军工、新能源和半导体等前沿技术领域发展有着重要的战略意义。然而由于碳化硅陶瓷材料具有缺陷敏感性强、高温烧结变形大、烧结后难以加工等特点，较难使用有模成型技术实现大尺寸、复杂结构的碳化硅产品制造。相对高端前沿材料的应用普及就相形见绌，严重制约了其在高新技术的发展步伐。

尽管热等静压、挤压和注射成型已广泛用于碳化硅产品成型体的制备。而相比于传统的成型技术，3D打印技术具有智能、无模、精密、高复杂度的制造能力，它能够完成传统工艺不可能完成的制造。不过相对于塑料或金属有固定的熔点，通过加热融化后就可以进行粘贴。而碳化物陶瓷没有熔点，如碳化硅会在高温下氧化成二氧化硅，或者是其他的气体、激光的作用下直接分解，导致无法直接3D打印，需打印出一个素坯再去烧结。从碳化硅的素坏成型工艺环节入手，再结合反应烧结工艺特性，使烧成的碳化硅陶瓷毛坯达到近净成型，以减少后续加工量，并保证产品性能满足使用要求，这将成为复杂结构碳化硅陶瓷制备工艺的主要研究方向。

目前，大多数3D打印SiC陶瓷方法中打印材料固含量较低、硅含量较高、力学性能较低。如直接墨水书写（DIW）的墨水中的固相含量太低，会导致陶瓷坯体致密度较低；激光打印在烧结过程中产生的热应力难以避免产生裂纹，导致最终产品力学性能较差；而粘结剂喷射（BJP）限制了粉末填充密度，导致SiC体积分数受限；立体光刻（SLA）虽然能够制备出高强度、高精度、高结构均一性和复杂性的陶瓷坯体，但由于碳化硅的吸光特性，导致其在制备碳化硅部件时仍存在诸多技术瓶颈。因此，在提高碳化硅陶瓷的加工效率、降低制备成本成为亟待解决的问题。

升华三维通过基于粉末挤出（PEP）自主研发的工业型独立双喷嘴3D打印机，可利用颗粒碳化硅基复合材料打印出具有一定结构密度复杂结构生坯，再结合反应烧结工艺，实现近尺寸、轻量化、一体化的碳化硅陶瓷产品制造。目前已成功进入到我国航空航天、核工业、电力化工、光伏半导体等高端制造领域，有望成为促进中国制造创新、转型升级的新工具，具有很高的应用价值。

随着光伏、电子、半导体行业的崛起，科技的发展对芯片的需求量日益剧增，在晶圆制造的过程中普遍使用的石英晶圆载具，因其生产工艺和石英材料特性，使用寿命为3-6个月；而碳化硅晶圆载具代替石英，使用寿命可达5年以上，可显著降低使用成本及维护维修停线造成的产能损失。某半导体领域客户，利用PEP技术结合反应烧结工艺制造碳化硅晶圆载具，为晶圆载具的灵活结构设计提供了支持，3D打印的一体化制备有效减少制作周期和生产成本。制备的碳化硅晶圆载具具备纯度高、高温强度高、耐热冲击、耐腐蚀、耐磨损等优势，在下游客户生产中具备稳定性好、使用寿命长、维护成本低等优点。

▲3D打印碳化硅晶圆载具（来源：升华三维）

在空间探测领域，上海硅酸盐研究所利用升华三维大尺寸独立双喷嘴打印机UPS-556系统的颗粒熔融沉积结合反应烧结制备SiC陶瓷新方法，成功制备了碳化硅陶瓷光学元件等高附加值组件，获得广泛关注。颗粒熔融打印方法避免了微重力条件下粉体打印潜在的危害，为未来空间3D打印提供了可能。此案例中的一体化、大尺寸、轻量化碳化硅反射镜的成功制备，可有力地支撑国家遥感卫星发展和空间基础设施建设，提升了我国在遥感探测技术的核心竞争力。

随着碳化硅应用领域的不断扩展，反应烧结碳化硅在电子、光电、航空航天和冶金等领域的应用也逐年增加，这将直接推动该应用市场的增长。碳化硅陶瓷制备技术的高速发展，使得其性能不断提高，这将进一步推动碳化硅市场的发展。3D打印技术作为高端装备制造领域的重要技术手段，始终致力于解决传统制造工艺提出的挑战，在实现特种陶瓷无模成形、缩减产品设计周期、精细陶瓷微结构等方面发挥着极其重要的作用，而反应烧结碳化硅工艺具有处理温度低、时间短、不需要特殊及昂贵的设备、反应烧结胚件不收缩，尺寸几乎不变、烧结过程无需加压，可以制备大尺寸、形状复杂的制品等特点。可以看到PEP技术结合无压烧结工艺有望推动碳化硅3D打印成为极具吸引力的增长极。