【摘 要】
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碳化硅陶瓷作为新一代空间反射镜用材料,具有质量轻、热膨胀系数低、弹性模量高、熔点高、热稳定性好、光学性质与光学玻璃相当等优点,所以在航天航空领域一直是研究的热点。碳化硅陶瓷传统成型工艺现在已经无法满足工业化生产对复杂结构碳化硅陶瓷零部件日益增长的需求,因此不需要依赖模具的3D打印快速成型工艺在近几年成为了碳化硅陶瓷成型领域的研究热点。选择性激光烧结(SLS)是一种基于离散堆积成型思想的快速成型工艺
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碳化硅陶瓷作为新一代空间反射镜用材料,具有质量轻、热膨胀系数低、弹性模量高、熔点高、热稳定性好、光学性质与光学玻璃相当等优点,所以在航天航空领域一直是研究的热点。碳化硅陶瓷传统成型工艺现在已经无法满足工业化生产对复杂结构碳化硅陶瓷零部件日益增长的需求,因此不需要依赖模具的3D打印快速成型工艺在近几年成为了碳化硅陶瓷成型领域的研究热点。选择性激光烧结(SLS)是一种基于离散堆积成型思想的快速成型工艺。先通过计算机软件设计出复杂结构的空间反射镜模型,将文件转成STL格式进行分层切割处理,将一系列的二维截面信息传输到数控成型系统,再由成型系统控制激光束按照截面信息有选择地照射陶瓷粉末进行逐层烧结成型,得到SiC陶瓷素坯。再经碳化、反应烧结后最终得到复杂结构的SiC空间反射镜。观察材料的微观形貌,发现其表面存在一些孔洞,陶瓷中含硅量较高,密度为2.729g/cm3。材料的弯曲强度为198±14MPa,断裂韧性为2.97±0.13MPa·m1/2。为了进一步提高SiC陶瓷的致密度及力学性能,提出了一种碳化硅陶瓷热固化成型工艺。热固化快速成型工艺过程是将制备出的碳化硅浆料用刷子涂刷在玻璃板上,在烘箱中逐层叠加成型,得到碳化硅素坯,经过碳化处理使坯体内的酚醛树脂脱脂并去除残留的有机溶剂,得到多孔含碳坯体,在通过反应烧结渗硅最终得到性能优异的致密碳化硅陶瓷。热固化快速成型工艺最关键的一步就是SiC陶瓷浆料的制备,热固化快速成型工艺需要制备出高固相含量、固化前后体积收缩量小的陶瓷浆料。采用控制变量法对分散剂的含量、碳化硅颗粒粒径选择、固相含量、碳化硅颗粒配比进行细致的研究,设计了4组不同的浆料配比方案。测定浆料粘度、固化前后体积变化量、素坯密度并观察碳化后素坯断口形貌,确定浆料中分散剂的最佳含量为浆料中粉末质量的20%,浆料中固相含量为65%,240目和100nm的碳化硅粉末质量比为1:1。将得到的碳化硅陶瓷最佳浆料应用于热固化成型/RBCS复合工艺制备出碳化硅陶瓷,测试其性能分别为密度3.03g/cm3,弯曲强度为462±13MPa,断裂韧性为4.32±0.17MPa·m1/2。通过对两种不同快速成型工艺制备的SiC陶瓷从微观组织、力学性能的角度进行比较分析,得出热固化快速成型工艺更适合制备致密度高、性能优异的SiC陶瓷的结论。
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