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輕量一體化，成碳化硅主要應用方向

碳化硅（SiC）陶瓷憑借其比剛度大、熱導率高、熱變形系數(shù)小以及穩(wěn)定性好等綜合品質，廣泛應用于航空航天、汽車工業(yè)等高端制造的電子設備、散熱解決方案以及光學系統(tǒng)等領域。

▲輕量化設計的碳化硅反射鏡（來源：升華三維）

輕量化的實現(xiàn)途徑主要有三大方面：一是材料的優(yōu)化設計和應用；二是產(chǎn)品結構的優(yōu)化設計；三是先進制造技術的開發(fā)應用。三者相輔相成以實現(xiàn)最終產(chǎn)品的輕量化制造。碳化硅陶瓷在具有低密度的同時具有高機械強度，是作為輕量化設計的理想材料；再通過輕量化構型設計思路，不僅可以降低對材料的使用要求，還能減少昂貴材料的使用量、改進強度重量比、縮短加工時間；結合增材制造(3D打印)技術成形復雜異型構件的獨特優(yōu)勢，將是SiC陶瓷材料與結構設計相結合的重點方向。

3D打印技術具有智能、無模、精密、高復雜度的制造能力，它能夠完成傳統(tǒng)工藝不可能完成的制造。不過相對于塑料或金屬有固定的熔點，通過加熱融化后就可以進行粘貼。而碳化物陶瓷沒有熔點，如碳化硅會在高溫下氧化成二氧化硅，或者是其他的氣體、激光的作用下直接分解，導致無法直接3D打印，需打印出一個素坯再去燒結。而基于燒結的3D打印復雜結構、輕量一體化制備碳化硅已成為主要應用趨勢。

PEP工藝為碳化硅快速輕量化制備提供解決方案

在SiC陶瓷制備方面，升華三維的粉末擠出3D打?。≒EP）工藝具有3D打印與粉末冶金工藝相結合的雙重優(yōu)勢，可從SiC的素坯成型工藝入手，并結合適宜的燒結工藝，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達到近凈成型，以減少后續(xù)加工量，并保證了產(chǎn)品性能滿足使用需求，這為實現(xiàn)高性能碳化硅陶瓷構件大尺寸、輕量化、一體化制備提供了解決方案。

▲不同晶格結構填充的碳化硅樣品（樣品來源：升華三維）

晶格結構是一種最典型的輕量化設計結構?；谄鋸碗s的結構形態(tài)，使用水射流切割、鑄造、化學鍍和電沉積等傳統(tǒng)的制造技術制造，耗時、昂貴，并且無法達到高分辨率，而采用3D打印的數(shù)字化制造方式，可實現(xiàn)以較低的成本和時間來制造高分辨率和復雜形狀的薄支柱和晶格幾何形狀，這一顯著的優(yōu)勢讓其成為了理想的填充成形方式。目前，除了在消費品、體育用品、工業(yè)設備等領域備受青睞之外，超輕和多功能特性的晶格結構也在再生醫(yī)學、汽車設計、航空航天等領域有著深度的應用。

▲晶格結構填充實現(xiàn)碳化硅的輕化量（樣品來源：升華三維）

升華三維結合PEP技術特性及自主切片軟件優(yōu)勢能力，開發(fā)了20多種自定義“晶格填充結構”模式，可對產(chǎn)品的實體區(qū)域進行便捷的晶格填充結構設置，自動規(guī)劃打印路徑，均衡結構內部應力。每種模式都有其獨特的優(yōu)勢，適用于特定的應用工況，實現(xiàn)快速輕量化、孔隙間距、孔形設計調整等需求。有助于客戶快速實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化設計和制備。

升華三維通過自主PEP技術獨特優(yōu)勢與反應燒結工藝相結合，已實現(xiàn)了碳化硅復雜結構制造。PEP采用基于蠟基體系的碳化硅顆粒喂料（UPGM-SiC），具有高強度、高硬度、高熱導率、高化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能的陶瓷材料，適應于航空航天、微電子、汽車工業(yè)等領域。且可支持客戶自定義開發(fā)。

▲升華三維碳化硅3D打印材料

通過3D打印設備利用顆粒熔融擠出成型方式先打印生坯，然后再經(jīng)過成熟的粉末冶金工藝脫脂和燒結，得到結構性能優(yōu)良的碳化硅結構件。這為實現(xiàn)碳化硅陶瓷部件的近尺寸、輕量一體化制備提供了全新方法。

而采用的反應燒結碳化硅工藝，具有處理溫度低、時間短、不需要特殊及昂貴的設備、反應燒結胚件不收縮，尺寸幾乎不變、燒結過程無需加壓，可以制備大尺寸、形狀復雜的制品。 

升華三維為碳化硅制造提供高價值服務

在應用案例中，上海硅酸鹽研究所利用升華三維大尺寸獨立雙噴嘴打印機UPS-556系統(tǒng)的顆粒熔融沉積工藝結合反應燒結制備SiC陶瓷新方法，成功制備了碳化硅陶瓷光學元件等高附加值組件。基于PEP的顆粒熔融打印方法避免了微重力條件下粉體打印潛在的危害，為未來空間3D打印提供了可能。PEP工藝為該案例中的復雜結構、大尺寸、輕量一體化碳化硅元件的成功制備提供了支持，可有力地支撐國家遙感衛(wèi)星發(fā)展和空間基礎設施建設，提升了我國在遙感探測技術的核心競爭力。

該團隊制備的SiC陶瓷最新研究數(shù)據(jù)顯示：密度可達3.12g·cm3，硅含量降低至10vol%左右，抗彎強度和彈性模量分別達到465MPa和426GPa，力學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。相關研究成果發(fā)表在《歐洲陶瓷學會雜志》(Journal of the European Ceramic Society)上，并申請中國發(fā)明專利2項（其中1項已授權）。

▲采用氣相和液相聯(lián)用滲硅得到的SiC陶瓷力學性能

隨著碳化硅應用領域的不斷擴展，將進一步推動碳化硅市場的高速發(fā)展。3D打印技術作為高端裝備制造領域的重要技術手段，始終致力于解決傳統(tǒng)制造工藝提出的挑戰(zhàn)，在實現(xiàn)特種陶瓷無模成形、縮減產(chǎn)品設計周期、精細陶瓷微結構等方面發(fā)揮著極其重要的作用。

升華三維將深化先進陶瓷的開發(fā)與研究，加強對大尺寸、高性能、復雜結構層的設計與制造能力，實現(xiàn)對層內各種穿插、交織、多孔等三維結構達到強度、剛度、韌性、耐久性等多性能的完美平衡，結合實際應用開發(fā)更多實用的晶格填充結構。升華三維現(xiàn)已建成完備的粉末擠出3D打印工藝鏈，支持從材料配方開發(fā)、打印設備定制、到脫脂燒結工藝適配的靈活解決方案，為客戶快速實現(xiàn)理想產(chǎn)品的設計和制造提供高價值服務。