近日，一项来自瑞士南部应用科学与艺术大学与IHI Bernex AG的研究为3D打印高性能多孔陶瓷构件带来了突破。

研究人员于近期成功结合了粘结剂喷射与粉末床熔融这两种增材制造工艺，并辅以化学气相渗透技术，制备出了具有更高强度和抗氧化性的多孔碳化硅螺旋结构。

研究团队设计并制造了圆柱形的螺旋结构样品。

为了确保最终尺寸一致，他们在打印前预先考虑了热加工后的收缩率，使通过两种工艺路径获得的样品最终直径均达到约19毫米，高度约31毫米。

在粉末床熔融路径中，团队使用聚酰胺12打印出螺旋形状，随后通过浸渍聚合物和加热使其致密化，最终转变为SiOC陶瓷结构。

在粘结剂喷射路径中，则使用碳化硅粉末与酚醛树脂粘结剂直接打印部件，经加热后得到陶瓷预制体。

随后，两种类型的预制体均在约1100°C的氢气氛和低压下，使用甲基三氯硅烷进行了化学气相渗透处理，整个过程持续10小时。

化学气相渗透处理后，两种方法制造的部件均保持了整体形状。

据报道，在8小时的渗透周期后，部件的重量和密度增加最为显著。

粉末床熔融结合聚合物浸渍裂解路径与陶瓷粘结剂喷射路径在渗透后的总质量增量分别达到约27%和28%。

经过两次化学气相渗透循环后，粉末床熔融路径样品的相对密度增加到约0.721，而粘结剂喷射路径则增加到约0.557，这表明了显著的致密化，但孔隙依然存在。

测试表明，化学气相渗透减少了孔隙体积并缩小了孔径，但也产生了狭窄的“瓶颈”孔隙。

扫描电镜图像显示，在粉末床熔融衍生的样品表面存在一层厚度约为几微米的致密外层。

机械压缩测试结果反映了致密化的趋势。

经过两次渗透循环后，粉末床熔融路径样品的压缩强度从热解后的约4.3兆帕增加到约7.9兆帕。

粘结剂喷射样品的强度变化最大，从热解后的约0.3兆帕上升到第二次渗透循环后的约13.3兆帕。

研究将此归因于化学气相渗透在孔隙网络中沉积碳化硅带来的结合力增强和孔隙率降低。

在1500°C空气中长达8小时的氧化测试表明，两种经过渗透处理的样品都具有很强的抗氧化性。

研究将这一特性归因于碳化硅固有的抗氧化性，其表面会形成一层二氧化硅保护层。

能谱面扫描结果也支持这一结论，显示氧化后表面区域的硅和氧元素含量升高。

粉末床熔融路径样品的质量增加少于陶瓷粘结剂喷射样品，作者认为这是由于前者孔隙率更低、可用于氧化的表面积更小所致。

论文还对比了这些渗透处理陶瓷与先前研究的硅-碳化硅材料，指出消除游离硅有助于防止相关缺陷。

在粘结剂喷射样品中，作者报告了冷却过程中二氧化硅层的开裂和碎裂。

尽管如此，在测试温度下整体抗氧化性能依然得以保持。