【所屬領(lǐng)域】
智能制造
【成果來源】
國家縱向項(xiàng)目、橫向項(xiàng)目
【痛點(diǎn)問題】
碳化硅（SiC）陶瓷具有具有優(yōu)異的耐磨性、耐蝕性、耐高溫性以及高比強(qiáng)度和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，是航空航天、電子信息等領(lǐng)域中的關(guān)鍵材料，廣泛應(yīng)用于高分辨率空間遙感衛(wèi)星反射鏡鏡坯、大規(guī)模集成電路光刻機(jī)用激光方鏡、化工渣漿泵葉輪、陶瓷裝甲、飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)等國家重大戰(zhàn)略裝備和核心支柱產(chǎn)業(yè)。隨著相關(guān)領(lǐng)域重大裝備的快速發(fā)展和更新?lián)Q代，更加嚴(yán)苛、特殊的使用工況對SiC陶瓷構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與性能提出了更高的要求，逐漸向復(fù)雜化、整體化、輕量化方向發(fā)展。然而，由于無壓燒結(jié)等傳統(tǒng)工藝在成形復(fù)雜SiC陶瓷構(gòu)件時(shí)存在高溫?zé)Y(jié)變形大、缺陷敏感性強(qiáng)、燒結(jié)后難加工、某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)無法成形等突出問題，因此，復(fù)雜SiC陶瓷構(gòu)件的整體成形成為世界性難題。
【成果介紹】
為此，團(tuán)隊(duì)結(jié)合前期研究基礎(chǔ)，在國際上首次提出復(fù)雜SiC陶瓷構(gòu)件激光選區(qū)燒結(jié)增材制造（Selective Laser Sintering，SLS）結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)的整體成形創(chuàng)新思路，研發(fā)出復(fù)雜SiC陶瓷構(gòu)件整體成形的材料-裝備-工藝成套技術(shù)，整體成形的構(gòu)件強(qiáng)度較比利時(shí)魯汶大學(xué)提高22%，成形尺寸1700×1700×600 mm3（是目前世界上最大的成形尺寸），主要技術(shù)指標(biāo)國際領(lǐng)先，解決了高性能復(fù)雜SiC陶瓷構(gòu)件的整體成形難題，促進(jìn)了我國航空航天、電子信息等行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。本參賽項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成立的產(chǎn)業(yè)化公司為華中地區(qū)唯一用SLS整體成形復(fù)雜SiC陶瓷構(gòu)件的供應(yīng)商。項(xiàng)目核心競爭力包括：
（1）自主研發(fā)出適合SLS的SiC粉材原材料。自主研發(fā)出粘結(jié)劑均勻包覆SiC粒料和增強(qiáng)增韌纖維粉材的制備方法，通過優(yōu)化原材料組分有效改善SLS成形預(yù)制體的力學(xué)性能，為SiC陶瓷復(fù)合材料構(gòu)件性能提升奠定基礎(chǔ)。
（2）自主研發(fā)出大尺寸SiC陶瓷構(gòu)件的高效SLS成形裝備。自主研發(fā)出目前世界上最大成形尺寸的陶瓷SLS裝備，成形尺寸達(dá)1700 mm×1700 mm×600 mm，解決了多激光振鏡協(xié)同工作、海量數(shù)據(jù)處理、素坯清粉和后固化易破損等難題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜SiC構(gòu)件的整體成形。
（3）自主研發(fā)出復(fù)雜SiC構(gòu)件SLS結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)整體成形工藝。發(fā)明了SiC陶瓷構(gòu)件的SLS整體成形工藝，建立了工藝參數(shù)、預(yù)制體微觀結(jié)構(gòu)和SiC陶瓷構(gòu)件性能之間的耦合關(guān)系，揭示了預(yù)制體在反應(yīng)燒結(jié)過程中的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律和相界面成形機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜SiC陶瓷構(gòu)件的高性能整體成形（抗彎強(qiáng)度＞220 MPa，彈性模量＞280 GPa，相對密度＞99%，形變率＜2%）。
圖1 增材制造復(fù)雜輕量化SiC構(gòu)件
圖2 增材制造其他陶瓷材料
【技術(shù)優(yōu)勢】
陶瓷硬度大、脆性高、缺陷敏感，若采用傳統(tǒng)模壓和機(jī)加工方法，復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件的整體成形難度大，甚至無法成形。采用本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)的SiC復(fù)合粉材的制備及其復(fù)雜構(gòu)件的SLS增材制造方法，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜SiC復(fù)合材料構(gòu)件的整體成形。具體產(chǎn)品定價(jià)以最終獲取的訂單為主，目前生產(chǎn)的SiC構(gòu)件成本不到市場同類產(chǎn)品價(jià)格的1/2。
【性能指標(biāo)】
圖3 同傳統(tǒng)方法成形SiC構(gòu)件的對比
相較于傳統(tǒng)方法，本團(tuán)隊(duì)技術(shù)面密度降低20%、生產(chǎn)周期縮短50%以上、節(jié)材30%以上。
圖4 同國內(nèi)外頂尖水平競品的對比
相較于國外競品，本團(tuán)隊(duì)產(chǎn)品密度提升10%以上，強(qiáng)度提升22%。
【資質(zhì)榮譽(yù)】
2023年全國博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，銀獎(jiǎng)
2022年湖北省博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，銀獎(jiǎng)
第二十三屆中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)
湖北專利金獎(jiǎng)
2021年日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎(jiǎng)
碳化硅復(fù)合粉末材料的制備及其大型復(fù)雜零件的增材制造方法
【技術(shù)成熟度】
已有樣品/樣機(jī)。
【產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用】
本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)的復(fù)雜SiC陶瓷構(gòu)件整體SLS增材制造技術(shù)，將促進(jìn)我國SiC特種陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國SiC材料及其構(gòu)件的市場規(guī)模占據(jù)全球的70%，2022年市場規(guī)模高達(dá)29.6億美元，而且有望持續(xù)增長，預(yù)計(jì)未來仍將持續(xù)按照11.7%的年復(fù)合增長率增長。由此可見，SiC材料及其構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)效益前景非常廣闊。可以預(yù)見，本參賽項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)的復(fù)雜SiC陶瓷構(gòu)件SLS增材制造技術(shù)，將改變傳統(tǒng)陶瓷構(gòu)件的生產(chǎn)模式，使有關(guān)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，同時(shí)具有廣闊的市場前景，具有重大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益意義。
應(yīng)用案例
現(xiàn)有的SiC構(gòu)件主要包括空間遙感衛(wèi)星反射鏡鏡坯、光刻機(jī)方鏡、渣漿泵葉輪、半導(dǎo)體擴(kuò)散爐晶舟、連接件等構(gòu)件（圖5），這些產(chǎn)品已在北京空間機(jī)電研究所（航天508所）、三江航天四院九部、航空工業(yè)武漢航空儀表有限責(zé)任公司、中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所、漢江弘源襄陽碳化硅特種陶瓷有限責(zé)任公司、浙江東新材料科技有限公司、陜西固勤材料技術(shù)有限公司、深圳市浩宇特電子有限公司、天津皓固科技有限公司等單位成功試用。
圖5 本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)的復(fù)雜SiC陶瓷構(gòu)件
知識產(chǎn)權(quán)
該成果包括多項(xiàng)已授權(quán)中國發(fā)明專利。
合作方式
專利許可、專利轉(zhuǎn)讓、作價(jià)入股、技術(shù)開發(fā)、面談等。
【聯(lián)系方式】
CG24012
