上硅所新进展：3D打印低维收缩率、高性能常压烧结碳化硅陶瓷

中国科学院上海硅酸盐研究所黄政仁研究员团队陈健研究员创新性地提出材料挤出（MEX）打印结合前驱体渗透裂解（PIP）与常压固相烧结的复合工艺路线，制备出低维收缩率、高性能SiC陶瓷。相关研究成果以题为“Low-dimensional shrinkage and high-performance SiC ceramics fabricated by MEX printing combined with PIP and pressureless solid-state sintering”发表于《Additive Manufacturing》。申请国家发明专利3项，论文第一作者为上海硅酸盐所直博生高晨溪，通讯作者为陈健研究员与黄政仁研究员。该研究获国家重点研发计划项目的资助和支持。2025, 113, 105024（https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.105024）

研究背景

碳化硅（SiC）陶瓷结构件在半导体制造、新能源等高端装备领域的需求日益增长。在半导体制造领域，SiC陶瓷主要用于光刻机工件台、导轨、陶瓷吸盘、手臂等运动部件，其高刚性、低热膨胀系数确保了设备在纳米级运动精度下的稳定运行。在新能源光伏领域，SiC陶瓷取代传统的石英材料，用于扩散炉和LPCVD设备的舟托等载具部件，能使使用寿命提升5倍以上。

然而，SiC陶瓷极高的硬度和显著的脆性使其难以通过传统加工方法制造复杂结构件，这一技术瓶颈严重制约了其在高端装备中的应用。3D打印技术成为突破SiC陶瓷制造瓶颈的关键途径。目前，3D打印方法制备的SiC陶瓷主要面向缺陷容忍度较高的反应烧结碳化硅陶瓷，但反应烧结碳化硅陶瓷中存在大量残余游离硅（通常>30vol%），硅熔点低于1410℃，导致其高温性能严重受限，大大限制了3D打印SiC陶瓷极端服役环境下的应用场景。

内容简介

针对上述难题，中国科学院上海硅酸盐研究所黄政仁研究员团队陈健研究员创新性地提出材料挤出（MEX）打印结合前驱体渗透裂解（PIP）与常压固相烧结的复合工艺路线。常压固相烧结路线很好的避免硅相含量过多的问题，可以提高材料在极端环境下使用温度，但3D打印常压烧结SiC陶瓷中有机粘结剂含量高达40-50vol%，烧结形成的孔隙会导致材料收缩率超过20%，尺寸精度严重失控，甚至导致材料开裂。

为此，团队提出在3D打印多孔坯体中进行聚碳硅烷（PCS）前驱体的真空浸渍裂解，使其在1300℃下转化为原位纳米SiC颗粒填充孔隙，构建内部微观支撑骨架。此外，为解决坯体强度低的问题，进一步引入预烧结处理工艺（1750-2050℃），在增强坯体强度的同时保持适量开孔结构，实现PCS高效渗透与缺陷控制。

该工艺实现了双重突破：一方面在烧结过程中完全避免了游离硅相的生成，使材料具备优异的高温力学性能；另一方面通过PIP过程中形成的SiC骨架有效抑制了烧结收缩，将线性收缩率从21.71%大幅降低至6.38%。最终制备的SiC陶瓷密度达到3.17 g·cm⁻³，抗弯强度为359 MPa，弹性模量为381 GPa，热导率高达165.76 W·m⁻¹·K⁻¹，在1500℃高温环境下仍保持357 MPa的抗弯强度，为极端环境下使用的复杂结构SiC陶瓷部件的精密制造提供了可靠的技术支撑。

图片解析

图1：MEX-3D打印SiC陶瓷流程图

图2：PIP工艺抑制MEX结合常压固相烧结SiC陶瓷的尺寸收缩

图3：3D打印常压固相烧结SiC陶瓷的力热性能

总结与启示

中国科学院上海硅酸盐研究所的最新研究，精准地切中了当前3D打印碳化硅陶瓷领域的两大核心痛点：一是传统反应烧结路线因大量游离硅存在而导致的高温性能短板；二是常压固相烧结路线因高收缩率导致的尺寸精度失控和开裂难题。

该项研究创造性地设计了一条“材料挤出打印（MEX）+后处理”的复合工艺路线。其中，作为成型核心的MEX技术（即升华三维专注的粉末挤出打印技术），成功制备了具有复杂结构的多孔生坯，为后续的工艺创新奠定了基础。研究团队通过引入前驱体渗透裂解（PIP）在打印坯体内部原位构建纳米SiC支撑骨架，并结合预烧结工艺进行精密调控，实现了“抑收缩”与“强坯体”的双重目的。这项成果给我们带来了重要的启示：

技术融合是突破瓶颈的关键：对于SiC这类高性能陶瓷的3D打印，单一的打印技术往往难以兼顾复杂成型、精度控制和性能最优。未来技术的发展方向，必然是像此项研究一样，将3D打印作为一种精密的成型手段，与多种后期致密化、增强改性工艺（如PIP、CVI、烧结等）进行深度融合，形成一体化的解决方案。

材料挤出3D打印路线的独特优势与潜力：该研究成功选用MEX技术，印证了粉末挤出打印技术在制备高固体含量、可后期加工处理的多孔陶瓷坯体方面具有独特优势。其工艺过程无需激光，设备成本相对较低，且成型件有机物含量高，便于进行渗入、粘结等后处理，非常适合与此类复合工艺结合，为实现高性能、大尺寸、复杂结构陶瓷件的制备提供了极具潜力和性价比的路径。

为极端工况应用开启新可能：此项工作有效解决了3D打印SiC陶瓷高温性能不足的“卡脖子”问题，为其在半导体高端装备、航空航天热端部件、新能源核能等领域的高温、强腐蚀等极端环境下的应用，市场应用前景极为广阔。

总而言之，上硅所的这项进展不仅是陶瓷3D打印技术的一项重要突破，更是对材料挤出打印路线在未来高性能陶瓷制造领域核心价值的一次有力验证与前景展望。

来源声明：中科院上海硅酸盐所