3D打印导电碳化硅(SiC)陶瓷技术,可解决传统金属导体与温度相关的电性能-金属3D打印工厂

3D打印导电碳化硅(SiC)陶瓷技术,可解决传统金属导体与温度相关的电性能-金属3D打印工厂插图

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       导读:碳化硅是一种由硅和碳组成的半导体,是世界上第三硬的材料,本文将进一步讨论通过3D打印技术解决传统制造难题。

2022年8月27日,一组研究人员最近在《增材制造》杂志上发表了一篇论文,该论文证明了利用大桶光聚合3D打印技术打印的导电碳化硅(SiC)陶瓷,可以有效解决传统导电陶瓷(ECCs)在高温下的电性能问题。

3D打印导电碳化硅(SiC)陶瓷技术,可解决传统金属导体与温度相关的电性能

△碳化硅示意图

技术背景

         导电陶瓷(ECC)由于其高导热性、增强的耐磨性和耐腐蚀性以及在高温下更大的硬度,被广泛应用于,如电池、气体传感器、燃料电池和催化剂支架。虽然导电陶瓷的致密结构有利于提高导热性,但它阻碍了陶瓷的热管理能力。因此,该材料在高温下通常表现出与温度有关的电气行为。

导电陶瓷结构必须在几个长度尺度上进行设计,从宏观到纳米,以开发一个导电陶瓷,在600℃以上的温度下显示出高导电性和电稳定性。

然而,由于陶瓷的脆性,很难将其加工成复杂的形状。然而,随着3D打印技术的发展,已被证明,该技术是制造具有定制结构的导电陶瓷最佳方案。目前,对3D打印导电陶瓷的研究主要集中在半导体,如导电碳化硅陶瓷,作为3D打印的输入材料,并使用粘合剂喷射或直接墨水书写技术进行制造。然而,使用使用该打印技术受到结构分辨率限制,并且不具备实现实际应用(如催化剂和微波光学)所需的电气性能。

经研究,在不同的3D打印技术中,大桶光聚合3D打印技术,更适合打印蜂窝状或格子状的陶瓷,因为它可以精确地操纵打印的宏观结构,并高分辨率地打印精细特征。

使用大桶光聚合技术打印的陶瓷经加热处理后得到的空心陶瓷结构很轻,并表现出与固体陶瓷相似的硬度。

此外,由于3D打印特有的逐层制造特点,填充材料在打印过程中被均匀地分布在三维空间中,这促进了制造结构的导电性。

3D打印导电碳化硅(SiC)陶瓷技术,可解决传统金属导体与温度相关的电性能

△该研究发表在科学指南,题目为《3D打印导电碳化硅》点我获取更多信息(传送门)

大桶光聚合3D打印技术

研究团队通过该3D打印技术,制造出同时具有低导热性和高导电性的3D打印导电碳化硅陶瓷。

拥有纳米级多孔结构和高比表面积的介孔二氧化硅被用作原料材料,以有效实现隔热特性。石墨烯,一种导电的填充材料,被加入到陶瓷混合物中,以便在陶瓷中形成一个导电的网络。

最初,聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)、石墨烯和15wt%的介孔二氧化硅被混合,以获得石墨烯/二氧化硅混合物。然后将0.5wt%的苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦作为紫外线(UV)光引发剂加入到所制备的混合物。此外,还加入了0.04wt%的2-硝基苯基苯硫醚,即光吸收剂,以促进高分辨率的印刷。

多孔二氧化硅和石墨烯的重量比从0.015 wt%到0.1 wt%不等。在混合物中加入2wt%的PEGDA的分散剂,以防止固体颗粒的沉淀和聚集。采用超声机将前体混合两小时,以制备石墨烯/二氧化硅墨水。

随后,在多孔二氧化硅/石墨烯纳米复合材料的制备过程中,采用了定制的基于掩膜图像投影的大桶光聚合打印机。使用火花等离子体烧结(SPS)工艺对3D打印陶瓷结构进行烧结。

3D打印导电碳化硅(SiC)陶瓷技术,可解决传统金属导体与温度相关的电性能

△生产碳化硅和磨料的工业企业

成功3D打印出多孔导电碳化硅陶瓷样品

经观察,大桶光聚合3D打印工艺打印层的厚度为0.05毫米,且具有良好的结构完整性。

在石墨烯-二氧化硅纳米复合材料中,石墨烯片被楔入多孔二氧化硅支架中。热解后,石墨烯渗入硅氧烷网络,形成坚固的碳化硅基质。

当烧结温度低于1400℃时,在打印的样品中观察到了无定形结构,而在1400℃时观察到了β相碳化硅和二氧化硅方石英,表明一部分硅氧键被硅碳键取代,多孔原料二氧化硅在惰性高温环境下结晶。

没有形成硅碳键的碳物质,在二氧化硅骨架上被渗入,形成了很多孔隙。此外,由于羰基和亚甲基的气体挥发,形成了新的孔隙。这两个因素在限制高温下的大幅收缩方面发挥了关键作用。因此,在打印和烧结的样品中,都没有观察到实质性的收缩。

在烧结的导电陶瓷中观察到中孔结构,孔径为10-150纳米。3D打印的导电陶瓷显示出较低的导热性,范围从62到88 mW/mK。由于石墨烯的强面内结合,随着石墨烯浓度的增加,热导率略有增加。

打印的多孔样品有效地隔绝了热传导,样品温度成功地保持在89.2℃,表明其卓越的热性能。

0.02wt%的石墨烯/二氧化硅样品承受了46.625MPa的最大压应力,而在具有0.10wt%石墨烯/二氧化硅纳米复合材料的导电陶瓷中,观察到失败时的最高压应变为0.142。

经SPS处理的0.10wt%石墨烯/二氧化硅石墨烯-二氧化硅纳米复合材料显示出最大的抗压强度为57.947MPa,与未处理的样品相比高出96.19%,说明SPS处理有效地加强了样品的机械性能。

同时,电导率随着石墨烯浓度从0.02到0.1 0wt%的上升而增加,表明由于石墨烯的渗入而形成了导电通路。打印的导电陶瓷的最高电导率为680 S m-1,与传统的导电陶瓷复合材料相比,其电导率大幅提高,这是因为多孔原料二氧化硅为石墨烯渗流提供了高比表面积。

最终,3D打印陶瓷的最小和最大体积密度值,分别为0.366 g cm-3至0.897 g cm-3,该样品表现出极轻的结构。此外,3D打印的导电陶瓷在用于由64个发光二极管(LED)和5V直流供电的微控制器板组成的电路时,显示出稳定的电气性能。

由于其良好的热管理能力,打印的陶瓷从室温到600℃都保持着恒定的电阻率,表明3D打印的导电碳化硅不容易受温度变化的影响。此外,多孔结构创造了一个热屏障,以保持稳定的导电性和保护导电网络。

总而言之,这项研究的结果证明了在高温环境下工作的应用中,使用3D打印导电多孔SiC陶瓷的可行性,以及解决传统金属导体与温度相关的电性能问题。

(责任编辑:admin)

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