原文信息
增材制造SiC三周期极小曲面点阵结构的工艺调控及力学性能研究
Performance optimization of Si/SiC ceramic triply periodic minimal surface structures via laser powder bed fusion
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https://ceramics.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jace.19397
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SiC陶瓷点阵结构具有超轻、比强度高等特点，在航空航天、国防等领域具有广泛的应用前景。本研究对三种不同体积分数的SiC陶瓷极小曲面（TPMS）点阵结构的增材制造打印参数和液相渗硅（LSI）后处理工艺进行了系统的分析优化。揭示了SiC TPMS点阵结构独特的反应烧结过程机理，最终得到的SiC TPMS点阵结构具有较高的制造精度、较低的残Si含量和优异的力学性能。
正文导读
图1 SiC TPMS点阵结构增材制造及后处理工艺调控示意图
SiC陶瓷点阵结构因其导热系数高、化学稳定性好、耐磨性好等优异性能，在各个工程领域的应用需求逐步提升。基于逐层制造模式的增材制造技术是生产具有复杂几何形状的陶瓷点阵结构的一种有效的手段。极小曲面是在一定的约束条件下满足面积最小并且平均曲率为零的曲面，具有表面光滑、曲率半径均匀、高强度-重量比等优越性能。鉴于SiC陶瓷TPMS点阵结构的潜在应用前景，优化制备工艺，提高SiC TPMS结构的力学性能具有重要意义。如图1所示，SiC点阵结构的制造优化主要包括两部分：激光粉末床熔融增材制造打印参数的优化和液相渗硅反应烧结后处理工艺的优化。综合考虑结构整体的线性收缩率和支杆尺寸偏差，可以获得SiC点阵结构的最佳打印参数。通过最佳打印参数制备的SiC点阵结构展现出较优的开口孔隙率、体积密度和相对抗压强度，验证了所选择的优化打印参数的适用性。
在获取最佳打印参数后，采用最佳打印参数制备SiC点阵初坯，对其进行不同次数的渗碳处理，结果显示，随着碳密度的增加，SiC点阵结构的开口孔隙率和残余硅含量先减小后增大。相反，随着碳密度的增加，SiC点阵结构的体积密度、断口质量、支杆尺寸偏差和力学性能先增大后减小，因此SiC TPMS点阵结构在液相渗硅反应烧结后处理的工艺中存在最佳碳密度。优化渗碳工艺后选取4次渗碳次数作为最佳渗碳次数，采用该渗碳次数制备的SiC TPMS点阵结构的力学性能最佳，体积密度较高，残余Si含量较低，制造精度较好。
图2 传统SiC块体预制体和SiC TPMS预制体的液相渗硅反应烧结工艺示意图
对SiC TPMS点阵结构的液相渗硅反应烧结原理进行了解释，如图2所示。一方面，SiC TPMS点阵结构比表面积较高，存在更多的Si浸渗毛细通道；另一方面，SiC TPMS点阵结构中较小的支杆直径使得硅渗透时间更短，两方面原因使得TPMS结构中最佳碳密度提高，从而使SiC TPMS结构具有显著优异的力学性能。
本论文的研究获得了SiC TPMS点阵结构的最佳增材制造打印参数和碳密度，并深入阐明了SiC TPMS点阵结构的液相渗硅反应烧结机理，为有效制备具有优异力学性能的近净成形SiC TPMS点阵结构提供了理论基础。
作者简介
1
吴思琪，华中科技大学，博士生
研究方向：点阵结构的增材制造及力学研究
2
杨磊，武汉理工大学，教授
研究方向：
1. 轻量化/承载一体化功能点阵结构的设计、制备及力学分析
2. 纤维复合材料增材制造装备与工艺开发
3
闫春泽，华中科技大学，教授
研究方向：
1. 高性能陶瓷增材制造技术与装备
2. 连续纤维增强复合材料机器人增材制造技术与装备
3. 高性能特种工程聚合物增材制造技术与装备
期刊简介
Journal of the American Ceramic Society(JACerS)是美国陶瓷学会（American Ceramic Society）会刊，是国际公认的陶瓷领域权威期刊，每年发行12期。100多年来，JACerS坚持刊发陶瓷科学不同领域的高质量研究。
JACerS的现任主编为美国国家工程院院士John C. Mauro教授。期刊已被近30个数据库收录，包括SCIE、CAS、IET Inspec、Scopus，多个ProQuest和EBSCO数据库等。
2023 CiteScore :7.5
2023 JCI:0.84
2023 IF:3.5
期刊主页
https://ceramics.onlinelibrary.wiley.com/journal/15512916
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