辽宁大学物理学院、松山湖材料实验室、东莞职业技术学院团队合作，采用粉末挤出打印（PEP）增材制造技术结合一步烧结法，成功制备出含原位合成Y₄Al₂O₉（YAM）的高密度（97%）SiC陶瓷，且无需任何后处理。相关成果以“A novel approach to prepare high density SiC ceramics by powder extrusion printing (PEP) combined with one-step sintering method”为题，发表在陶瓷领域的权威期刊《Journal of the European Ceramic Society》上。
背景
碳化硅（SiC）陶瓷因其高熔点、高硬度、优异的高温机械性能与化学稳定性，在半导体、核能、航空航天等高技术领域具有广泛的应用前景。随着半导体工业的快速发展，对复杂结构SiC陶瓷件的需求日益增长。传统的陶瓷成型工艺难以高效制备复杂形状的构件，而增材制造（AM）技术为此提供了新的解决方案。粉末挤出打印（PEP）作为一种新兴的增材制造工艺，具有成本低、设备要求简单、操作便捷等优势，尤其适用于陶瓷材料的复杂结构成形。
▲升华三维粉末挤出3D打印工艺示意图
然而，SiC陶瓷因其共价键性强、自扩散系数低，难以在烧结过程中实现致密化，通常需要后处理工艺如渗硅、反应熔渗等，这些方法不仅延长了制备周期，还可能引入残留硅，降低材料的高温性能。因此，开发一种无需后处理即可实现高致密SiC陶瓷的制备方法具有重要意义。
摘要
关键词：粉末挤出打印（PEP）、增材制造（AM）、碳化硅陶瓷、Y₄Al₂O₉ (YAM)、一步烧结；原文链接：
本研究提出采用PEP增材制造技术结合一步烧结法，成功制备出含原位合成Y₄Al₂O₉（YAM）的高密度（97%）SiC陶瓷，且无需任何后处理。该工艺系统研究了SiC生坯的打印、脱脂与烧结过程，并通过多种表征手段分析了材料的微观结构与力学性能。研究首次通过高分辨透射电镜（HRTEM）揭示了YAM与SiC之间的晶体学取向关系为（040）YAM//（10`11）SiC和[102]YAM//[1`210]SiC。烧结后的SiC样品密度为3.11g/cm³，维氏硬度为19.35±0.28GPa，三点弯曲强度为225±27MPa。该研究表明，PEP结合一步烧结法为制备具有复杂形状、高密度和优异力学性能的SiC陶瓷提供了新策略。
图片解析
▲图1. (a)粉末挤出打印工艺示意图，(b)由不同f形成的两个生坯，(c)用于机械性能测试的烧结后生坯。
▲图2. (a)表面改性粉体示意图，(b)表面改性粉体FTIR光谱，（c、d）原料在相容和交联过程中的示意图，(e)原料形貌及图(e)中原料的插图为宏观形貌，(f)原料高分辨率图像。
▲图3.（a，b）生坯A（f=10mm/s）的表面形貌及结合工艺示意图，（c，d）生坯B（ f =12 mm/s）的表面形貌及结合工艺示意图。
▲图4. (a)SiC生坯的TG-DSC，(b)SiC生坯的脱附温度曲线，(c)SiC生坯脱附前的FTIR光谱，(d)SiC生坯脱附后的FTIR光谱。
▲图5.SiC在1200-1950 ℃温度下烧结的生坯的XRD图谱。
▲图6.烧结SiC的2D和3D微观结构，（a，b）样品A ，(c，d）样品B。
▲图7.烧结SiC（样品B）的SEM图像和EDS结果。
▲图8.（a，b）为烧结SiC（样品B）的TEM图像，（c，d）为烧结SiC（样品B）的SAED图谱。
▲图9.（a，b）为烧结SiC的TEM图像及STEM-EDS元素分布图，(c)为SiC-YAM界面的HRTEM图像，（d，e，f）分别对应图9(c)中d、e、f区域的傅里叶变换散射图。
▲图10.（a）金刚石压头在烧结SiC（样品B）表面形成的微压痕形貌；（b）烧结SiC（样品B）的裂纹扩展路径SEM图像；（c）三点弯曲断口的SEM图像，插图为相应SiC（样品B）三点弯曲测试后的光学照片；（d）三点弯曲SiC（样品B）断裂表面的高倍显微图像。
结果与讨论
1. 丝材重叠度对生坯质量的影响：通过调控打印参数中的螺杆挤出速度（f），研究团队发现较高的丝材重叠率（η）可显著提高生坯密度，但会略微降低表面质量。当f=12mm/s 时，生坯密度可达2.15g/cm³，重叠率为34%，烧结后样品密度提升至3.11g/cm³。
2. 脱脂与烧结过程的优化：通过TG-DSC和FTIR分析，确定了脱脂工艺可完全去除聚合物粘结剂而不破坏结构完整性。在烧结过程中，Y₂O₃与Al₂O₃在1400°C先形成YAG（Y₃Al₅O₁₂），在1800°C以上进一步反应生成YAM，并分布于SiC颗粒之间的三叉晶界处，有效促进致密化。
3. 微观结构与界面分析：SEM和TEM结果显示，YAM均匀填充在SiC颗粒之间，减少了孔隙，提高了材料密度。HRTEM和FFT分析首次明确了YAM与6H-SiC之间存在共格界面，晶格失配率仅为3.9%，表明两者具有良好的界面结合。
4. 力学性能：烧结样品表现出优异的力学性能：维氏硬度达19.35GPa，三点弯曲强度为225MPa。裂纹在压痕周围沿晶界曲折扩展，表明显著提高了材料的断裂韧性。
结论
本研究成功开发了一种基于PEP增材制造与一步烧结法制备高密度SiC陶瓷的新工艺，具有以下突出优势：
基于PEP增材制造的优势
l无需后处理：通过原位合成YAM实现致密化，避免了传统后处理工艺带来的残留硅问题；
l高密度与优异力学性能：密度达3.11g/cm³，硬度与弯曲强度均达到工程应用要求；
l 晶体学界面关系明确：首次揭示YAM与SiC之间的共格界面关系，为材料设计提供理论基础；
l工艺简单、成本低：PEP技术设备要求低，适用于复杂结构件的快速成形。
该技术为高性能SiC陶瓷在高温结构件、光学平台、电子封装等领域的应用提供了新的制造策略，具有重要的科学与工程意义。