Effects of short carbon fiber on the macro-properties, mechanical performance and microstructure of SiSiC composite fabricated by selective laser sintering

Research and applications of additive manufacturing technology of SiC ceramics

“…。 本课题组开展了一系列 SiC 陶瓷 SLS 增材制造的研究。朱伟等人 [13] 采用溶剂蒸发 法制备了 C f 含量高达 70%(体积百分比)的酚醛树脂覆膜粉末，经 SLS 成形后的坯体的 体积密度、开孔率、抗弯强度分别可达 0.475 g/cm 3 , 68.89%和 5.13 MPa；傅华等人 [14] 在 上述材料体系中加入硅粉，从而在后续反应烧结中减少碳化后的连续碳相，以降低残硅 和残碳。通过溶剂蒸发法制备的 C f 覆膜粉末具有良好的铺展性和松装密度，以及优良 的 SLS 成形性。相比较而言，邹阳等人 [16] 为严重，难以铺展。但溶剂蒸发法制备 SLS 粉末的步骤较为繁琐，而机械混合法则较为 简单易行， 所以目前科研和生产中所使用的 SLS 专用 SiC 粉末的制备方法仍以机械混合 法为主，比如西安交通大学宋索成等人 [17] 通过在 SiC 微粉/环氧树脂体系中添加球状石 墨，以优化后续反应烧结过程，最终制得的 SiC 陶瓷抗弯强度最高可达 348 MPa。 相较于 SLS，3DP 成形不需要向粉末中添加有机黏结剂，该特点使得 3DP 专用 SiC 粉末的制备较为容易，仅需要考虑陶瓷粉末本身的铺展性能和松装密度，通过粉末颗粒 级配、喷雾干燥等方法即可得到流动性和松装密度均符合使用要求的粉末。以色列金属 研究所 Fleisher 等人 [18] 直接采用机械混合的 SiC/B 4 C 复合粉末完成了 SiC 陶瓷的 3DP 增 材制造，其中 B 4 C 充当反应过程中的助剂，可促进液相烧结，减少残硅量。西北工业大 学成来飞团队 [15] 人 [23] 采用球磨法制备了短切碳纤维固含量为 20.86%(体积百分比)的浆料， 表现出良好的 光固化成形性。 用于 DIW 的 SiC 陶瓷浆料/膏体的设计与制备可以更加灵活， 需要满足以下几点 [25] ： (1)具有良好的剪切稀变行为，能够从喷头中顺利挤出不发生堵塞； (2)具有良好的 黏弹性，从喷头挤出后可快速固化保持形状； (3)固含量尽可能高，以减弱 SiC 坯体在 后续处理过程中的体积和形状变化。在进行 DIW 成形时，纤维、晶须或纳米线等通过 喷嘴挤出时展现出独特的取向性，从而使得最终制得的 SiC 陶瓷基复合材料具有良好的 力学性能。西安交通大学鲁中良团队 [24,26] 研究了 C f 在 DIW 过程中的取向行为，探究了 C f 的取向与喷嘴直径和剪切力之间的关系。 中南大学张斗团队 [27,28] 通过在 PCS 先驱体中 添加 SiC 微粉和 SiC w 用以调控 SiC 坯体的线性收缩，SiC w 在挤出过程中展现了良好的 取向性。 1.3 增材制造专用 SiC 丝材 SiC/树脂复合丝材的制备通常包括粉末干燥、混合球磨、挤出成丝这三步，然后便 可以用于 FDM 打印制备坯体，其中 SiC 的含量最高可达 60%(质量百分比) [29] 。FDM 丝 材制备过程较为繁琐， 固含量难以提高， 因此基于 FDM 制备 SiC 陶瓷的报道较少。 Baux 等人 [30] 直接采用聚乙烯醇/弹性体打印陶瓷坯体，再通过浸渍的方法引入 SiC 陶瓷先驱 体， 最终制得了 SiC 陶瓷， 该思路相较其他 SiC 的增材制造工艺而言， 并没有突出优势， 潜在应用价值难以发掘。值得注意的是，FDM 打印连续纤维复合材料备受关注，连续 纤维增强聚合物复合材料已经可以通过 FDM 稳定成形。西北工业大学梅辉等人 [31] 首先…”

“…要求高。朱伟等人 [13] 通过 SLS 成形酚醛包覆碳纤维粉末，坯体的强度可达 5.13 MPa； 而邹阳等人 [16] 通过机械混合 SiC/碳纤维/环氧树脂粉末，SLS 成形后的坯体的强度仅为 [13] ；( b)SiC/环氧树脂复合粉末 SLS 成形结合先驱体浸渍裂解制备 SiC 陶瓷 [34] Figure 3 SLS process for preparing SiC. (a) Preparing SiC ceramics by SLS and liquid silicon infiltration with phenolic resin coated C f powder [13] ; (b) Preparing SiC ceramics by SLS and precursor infiltration and pyrolysis with SiC/epoxy powder [34]…”

“…将熔融硅渗透到 SiC 多孔坯体结构中的 LSI 工 艺是生产陶瓷最常见的后处理技术之一。然而，由于反应烧结熔渗过程涉及到温度、流 动、传热和化学反应等诸多因素，尽管经过几十年的发展，熔融硅的渗透行为仍未得到 充分理解，采用模拟仿真手段可以对复杂的反应过程进行模拟，对实验过程进行预测。 Dutka 等人 [84] 提出了陶瓷材料多孔预制件在烧结过程中的熔渗数值模型，将有限元方法 和稳定的隐式有限差分时间格式应用于 Richards 方程的离散化，该研究为液体硅渗入 复杂几何形状的多孔碳化硅预制件的计算机建模提供了一些指导。 Hofbauer 等人 [85] 建立 了 LSI 熔渗过程的数值模型，该模型能够在合理的计算机时间内优化含有复杂成分的熔 体浸渗过程，同时使用一个特殊的测量炉对模型进行验证，为三维模拟熔渗动力学和热 过程提供了指导。 (2) CVI 化学气相渗透的仿真模拟. 除 LSI 工艺， CVI 工艺可精细控制 SiC 陶瓷构件 薄膜厚度，使复合材料具有优异的性能，其过程模拟相应的动力学参数同时受到流体动 力学、原料气体组成和温度分布的影响，同样较为复杂，目前对此的相关研究报道还较 少。Guan 等人 [86] 结合气相和表面动力学建立了建立一个完整的二维综合输运模型来模 拟 CVI 垂直管式反应器中的速度、温度和浓度分布，提出的仿真策略可用于不同的材料 系统。Allendorf 等人 [87] 提出了一个描述相互作用的气相、表面化学和流体动力学反应堆 模型，探究了流动和温度对沉积速率、均匀性和膜组成的影响。Jong 等人 [88] 和断裂韧性测试等实验手段是评测碳化硅构件力学强度和韧性最常用的方法之一 [13,14,89] ， 针对碳化硅点阵结构，研究人员通过单轴压缩试验，充分地分析了影响点阵结构力学性 能的一些因素，如孔隙率 [27] 和单胞结构 [34] 等。张斗团队 [27] 采用 DIW-PIP 工艺结合法制 备了 SiC 基陶瓷桁架点阵结构，发现结构中相互连通的孔隙提高了界面结合强度，从而 提高了 SiC 组分的机械强度。成夙团队 [34] 通过 SLS 结合 PIP 制备碳化硅颗粒/碳化硅 (SiCp/SiC)点阵结构，研究发现点阵结构的力学性能随倾斜支撑角度的增加而提高。 除传统常见的实验方法外，近年来，研究人员重视结合有限元手段测评碳化硅构件力学 性能。D'Angelo 等人 [90] 采用有限元分析来研究 SiC 陶瓷多孔结构的形态特征对其压缩 力学性能的影响，结果表明采用适当和特定加工参数可在给定的总孔隙率值下制备具有 更高强度的陶瓷多孔结构。Chen 等人 [91] 采用实验与有限元模拟对比的方法研究了具有 不同倾角的 C/SiC 点阵夹芯板结构的压缩破坏行为。数值模拟结果表明，在弹性屈曲和 夹芯剪切屈曲后，层间脱层发生在面板和点阵夹芯之间的连接处。Liang 等人 [92] 研究了 SiC 空心点阵结构的力学性能，从有限元模拟计算的结果来看，三角形空心支杆存在应 力集中，在整个碳化硅结构中采用圆形空心支杆会具有较小的应力均匀分布，从而提高 了 SiC 空心点阵结构的力学性能。除常温力学性能外，陶瓷基复合材料的热稳定性也是 其工程应用的重要条件之一，Wen 等人 [93] 探究 SiC 构件在高温热冲击过程中的应力响 应和失效机制， 建立了 SiC 陶瓷材料有限元模型， 通过瞬态分析来分析热残余应力 (TRS) 和热冲击应力(TSS)。…”

Research on Preparation and Properties of Carbon Fiber Reinforced Zinc-Based Aluminum Rich Alloy Composite

“…In addition, it has various advantages such us low density, light weight, low thermal expansion coefficient, low friction coefficient, high temperature resistance and good self-lubricating performance [17,18]. Carbon fiber has higher specific strength and specific elastic modulus than metal materials, and it has higher toughness and impact resistance than ceramics [19]. Mahavira Dhan et al [20] prepared carbon fiber reinforced AA6061-based composite materials by using AA6061 as the base metal and uncoated continuous long-spool pitchbased carbon fibers as reinforcement materials through squeeze casting process which has showed the hardness and ultimate tensile strength of the composite materials.…”

Laser Powder Bed Fusion of Titanium Carbide (Tic): Leveraging Reaction Bonding to Form Complex Ultra-High-Temperature Ceramics

“…Other non-reactive, multi-step AM strategies have been examined to produce non-oxide refractory ceramics but they have a range of limitations. For example, SiC parts have been formed through the shaping of SiC + binder then post-processed for densification where Si melt infiltration was required [17], [18]; Leu investigated the indirect selective laser sintering of ZrB2 where post-processing at 2050 °C resulted in 54% shrinkage with 87% final density [10]; laser sintering was used to melt Si-containing C, then converted to ~93 wt% SiC during post-processing in inert atmospheres [19].…”