2026年2月27日，来自瑞士南部应用科学与艺术大学 (SUPSI) 和 IHI Bernex AG 的研究人员采用两种 3D 打印方法——粘结剂喷射（BJ）和粉末床熔融（PBF）——并结合化学气相渗透技术，制备出形状类似螺旋体的多孔碳化硅 (SiC) 结构。结果表明，多孔预成型体结构在加工过程中保持几何稳定性，并达到较高的相对密度。经过10小时的化学气相渗透工艺显著提高了材料的机械性能，其中BJ工艺制备的样品在两次渗透循环后抗压强度提高了约14 MPa。1500℃下的氧化测试证实了优异的抗氧化性能，保护性SiO2层的强化了材料的耐久性。该方法为开发适用于能源、航空航天和高温工业系统等高要求应用的高级材料提供了一条途径。
相关研究以题为“TPMS SiC structures produced bychemical vapour
infiltration of SiC preforms shaped by powder bed fusion andbinder
jetting: a preliminary study on the early stages of the CVI
process”的论文发表在《Journal of the European Ceramic Society》期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117809
螺旋体是一种在三维空间中重复出现的复杂图案，呈现三重周期极小曲面（TPMS）结构。研究人员设计了圆柱形螺旋体样品，并调整了打印尺寸以补偿收缩，最终两种方法制备的样品在热处理后均达到了直径约 19 毫米、高度约 31 毫米的目标尺寸。
针对粉末床熔融（PBF）工艺，研究人员使用聚酰胺12打印出螺旋体形状，然后浸入聚合物中并加热，使其致密化，加热后形成SiOC陶瓷结构。在粘结剂喷射法流程中，使用酚醛粘结剂打印SiC粉末制成的部件，然后加热，得到不会收缩的陶瓷预制件，这与基于聚合物的方法不同。两种预制件随后均在约1100°C的氢气气氛下，使用甲基三氯硅烷（MTS）进行化学气相沉积（CVI）处理，10小时的处理过程分为两部分（先2小时，再8小时），以研究时间依赖性沉积。
△粉末床熔融和粘结剂喷射技术的示意图和原理。
化学气相沉积流程
经化学气相沉积（CVI）后，两种制造方法在加热和填充过程中均保持了整体形状，其中CVI在8小时后重量和密度增加最为显著。据报道，CVI后PBF+PIP工艺的总质量增加约为27%，陶瓷粘结剂喷射（CBJ）工艺约为28%。在第二次CVI循环后，PBF+PIP工艺的相对密度增加至约0.721±0.029，粘结剂喷射工艺的相对密度增加至约0.557±0.003，表明致密化程度显著提高，但仍存在一定的孔隙率。
△CVI实验室规模单元示意图
利用压汞法和扫描电镜成像进行的测试表明，化学气相渗透（CVI）降低了孔隙体积并减小了孔径，但同时也形成了狭窄的“瓶颈”孔隙，这些孔隙会阻碍气体流动，并阻止岩芯的完全致密化。扫描电镜图像显示，粉末床熔融（PBF）制备的样品表面存在一层致密的外层，厚度约为几微米，作者认为这可能是阻碍进一步渗透的原因。机械压缩测试反映了致密化趋势。经过两次化学气相沉积（CVI）循环后，PBF+PIP 样品的强度从热解后的约
4.3 ± 1.4 MPa 增加到约 7.9 ±0.4 MPa。BJ 样品的强度变化最大，从热解后的约 0.3± 0.1 MPa 增加到第二次
CVI 循环后的约 13.3 ± 0.8 MPa。研究认为，这是由于 CVI 将 SiC 沉积在孔隙网络中，改善了结合并降低了孔隙率。
1500℃氧化性能
在1500℃空气中进行长达8小时的氧化测试表明，两种CVI处理方法均具有很强的抗氧化性。研究将这种特性归因于SiC本身的抗氧化性，SiC表面会形成一层二氧化硅（SiO₂）保护层，EDX元素映射结果也证实了这一点，氧化后表面硅和氧的含量显著升高。PBF+PIP样品比CBJ样品增重更少。作者认为这是由于PBF+PIP样品的孔隙率更低，表面积更小，因此更容易被氧化。
论文还研究了这些 CVI 处理的陶瓷与先前研究的 Si-SiC 材料的比较，指出去除游离硅有助于防止 BJ 试样出现问题。作者报告称，在冷却过程中二氧化硅层出现裂纹和碎片，这与方石英相关的相变和热膨胀不匹配一致，这些变化可能会使脆性氧化皮承受应力，同时在测试温度下仍观察到整体抗氧化性。
来源：南极熊
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