Рассматриваете ли вы карбид кремния в вашем следующем проекте 3D-печати? Благодаря своим исключительным термическим и механическим свойствам керамика из карбида кремния производит революцию в ламинировании.
Эта всеобъемлющая статья предоставит всю информацию о 3D-печати из карбида кремния. Она охватит базовую технологию, от практических применений до мер предосторожности при покупке.
Карбид кремния : Основные свойства и особенности
Сначала мы поймем важность карбида кремния как конструкционного материала. Затем мы обсудим различные аспекты 3D-печати.
Основные свойства керамики на основе карбида кремния
-
Превосходная твердость: Карборунд карбид кремния имеет твердость 9,5, что почти равно твердости алмаза 10. Такая твердость делает его идеальным для режущих инструментов и абразивов.
-
Устойчивость к высоким температурам: Карбид кремния выдерживает экстремальные температуры, не плавясь. температура плавления карбида кремния составляет 2700 °C, что делает его пригодным для использования при очень высоких температурах.
-
Теплопроводность: В настоящее время использование карбида кремния в качестве полупроводника увеличивается. Это связано с тем, что высокая теплопроводность SiC карбида кремния, т.е. 120-270 Вт/м.
-
Химическая стабильность: Он устойчив к повреждениям, вызванным большинством кислот, оснований и солей. Его хорошая химическая стабильность важна для его использования в качестве оборудования для химической обработки.
-
Низкое тепловое расширение: Коэффициент теплового расширения SiC (4,0 × 10^-6/K) очень низок. Он сохраняет свою форму даже при изменении температуры.
-
Плотность: The Плотность SiC обычно составляет от 3,1 до 3,2 г/см3, что легче многих металлов при сохранении прочности.
Кристаллическая структура и форма
Кристалл карбида кремния Структуры включают более 200 форм (политипов). Наиболее распространенными из них являются:
-
Альфа-тип SiC: Кристаллическая структура шестилучевого кристалла является наиболее стабильной и широко используется в промышленности.
-
Бета-тип SiC:. Бета-SiC образуется при температурах ниже 1700 ° C. Его кристаллическая структура похожа на структуру алмаза. Бета-тип имеет сравнительно небольшое коммерческое применение.
The Структура SiC напрямую влияет на механические и электрические свойства. Различия в кристаллических структурах приносят различные преимущества для конкретных приложений.
Керамика из карбида кремния 3D-печать Метод
Несколько 3D-печать керамики Технологии используются для разработки керамики на основе SiC. Каждый метод имеет свои преимущества и ограничения.
Стереолитография для SiC (SLA)
В этом процессе используется смесь фотореактивной смолы и порошка SiC. Этапы следующие:
-
Создать смесь порошка SiC и светочувствительных полимеров
-
Используйте лазер для отверждения смол и создания форм для каждого слоя.
-
Удаление полимеров нагреванием
-
Нагрев при высокой температуре (1400-2000 °C) для создания готовой керамической детали
SLA обеспечивает гладкие поверхности и мелкие детали. Однако есть проблемы с плотностью и конечным качеством компонентов.
Интеграция химического парового осмоса (CVI)
Передовая технология, объединяющая струйную печать связующего и метод химического проникновения в паровую фазу, реализует высокочистый полностью кристаллический SiC. Благодаря этому процессу теплопроводность составляет 37 Вт/(м·К), прочность на изгиб составляет 297 МПа, а максимальная рабочая температура составляет 1000 °C. Этот метод обеспечивает высококачественные ядерные материалы, необходимые для высокотемпературных применений.
Струйное нанесение связующего (для SiC)
Этот метод работает следующим образом:
-
Нанесите тонкий слой порошка SiC
-
Добавить связующие вещества в выбранные части порошка.
-
Повторите это, чтобы создать полную деталь.
-
Удалить связующие вещества и укрепить детали путем последующей обработки нагреванием.
Струйная обработка связующего позволяет увеличить скорость производства и улучшить формование. Но это может привести к снижению плотности деталей по сравнению с другими методами.
Реакционно-связанный карбид кремния (RBSiC)
Используя передовую технологию порошковой кровати, мы производим реактивно-связанные кремниевые пропитки SiC с твердостью, близкой к алмазам. Этот процесс позволяет производить детали с подрезкой и полостью, а максимальная рабочая температура превышает 1400 °C, но остаточный кремний остается проблемой.
Прямое освещение чернилами (DIW) для SiC
В этом методе используется следующее:
-
Пастообразные «чернила» SiC с контролем текучести
-
Выдавливайте непосредственно через насадку и формируйте структуру слоями.
-
Бережная сушка для сохранения формы
-
Высокотемпературный нагрев для получения конечных свойств
У DIW очень мало отходов материалов, но существуют ограничения по формированию очень подробных форм.
Производство сплавленных нитей для SiC (FFF)
Прорывной подход к использованию филаментов, заполненных 67.6% SiC, работающих на стандартных принтерах FFF. Этот метод требует только сопла из закаленной стали 0,6 мм, которые можно печатать как обычные PLA, а керамика 100% получается после спекания. При плотности 1,9 г/см3 керамические детали могут быть изготовлены на любом принтере с открытой архитектурой
Селективное лазерное спекание SiC (SLS)
Этот метод включает в себя
-
Нанесите тонкий слой порошка SiC
-
Расплавьте выбранные области с помощью мощных лазеров
-
Сборка деталей по слоям
-
Последующая обработка для улучшения плотности и чистоты поверхности
SLS может создавать сложные формы. Однако ему сложно достичь полной плотности с керамическими компонентами.
Проблемы 3D-печати керамики SiC
Имеются значительные достижения в методе 3D-печати керамика SiC недавно. Он все еще имеет некоторые ограничения.
Технические проблемы
-
Достижение полной плотности: Это одна из главных проблем. Большинству деталей SiC требуется дополнительная обработка для достижения плотности. Текущий 3D-печать SiC процессы достигают 95-98% теоретической плотности без дополнительной обработки. Это может привести к плохим механическим свойствам структуры.
-
Контроль усадки: Факторы, влияющие на усадку, включают температуру, давление, размер частиц и скорость охлаждения. Усадка затрудняет поддержание точности размеров. Общая скорость усадки составляет от 15% до 20%.
-
Шероховатость поверхности: Шероховатость поверхности — еще одна проблема. Шероховатые поверхности часто требуют дополнительной обработки, чтобы сделать их гладкими.
-
Внутренние дефекты: В процессе печати и нагрева в изделиях появляются трещины и поры, которые ослабляют общую структуру.
Материальные проблемы
-
Характеристики порошка:. Качество порошка SiC зависит от размера частиц, распределения и чистоты. Эти факторы существенно влияют на качество печати и конечные свойства.
-
Совместимость со связующими:. Связующие вещества — это клеи, которые удерживают керамический порошок вместе. Трудно найти связующее вещество, совместимое с порошком SiC.
Последние достижения в области 3D-печати с использованием карбида кремния
НИОКР продолжают совершенствоваться 3D-печать SiC возможности:
Композитная обработка:. Объединяя 3D-печать с традиционным методом обработки, мы можем получить отличные результаты. Например, мы можем создать начальную форму с помощью 3D-печати. Затем, используя горячий пресс, мы можем добиться почти идеальной плотности.
Новая смесь:. Исследователь использует различные химикаты, которые улучшают поведение печати и нагрева. Некоторые составы содержат добавки, которые снижают необходимую температуру обработки.
Многослойная печать:. Благодаря экспериментам теперь стало возможным печатать SiC с использованием другой керамики, включая 3D-печать на основе оксида алюминия комбинации и металлы. Позволяет смешивать структуры с индивидуальными свойствами для конкретных применений.
Промышленное применение и тенденции рынка
3D-печать карбид кремния расширяется в несколько отраслей промышленности:
Аэрокосмическая промышленность и оборона
-
Легкие высокотемпературные детали для авиационных двигателей
-
Теплозащитный экран для космических кораблей
-
Канал охлаждения соплового комплекса ракеты
-
Конструкция радиолокационной передачи с высокой термостойкостью
-
Топологически оптимизированные компоненты снижают массу и повышают производительность
Реакторная технология
3D Print SiC сочетает в себе струйную печать связующего с CVI для удержания частиц топлива TRISO и используется в качестве топливной матрицы для реакторов трансформационного вызова. Это приложение демонстрирует отличную стойкость к нейтронному облучению до 2,3 dpa без ухудшения прочности.
Применение в электронике высокой мощности
Проводящая керамика SiC, напечатанная на 3D-принтере, позволяет использовать ее в структурных электродах и электрических компонентах, требующих эффективного рассеивания тепла. Эти материалы сохраняют электрическую надежность при температурах выше 600 °C благодаря своим характеристикам широкой запрещенной зоны.
Производство полупроводников
Износостойкость, чистота и термические свойства делают карбид кремния хорошим полупроводником. полупроводниковая керамика В промышленности в оборудовании для обработки пластин используются компоненты SiC. 3D карбид Такие компоненты, как карбид кремния, обеспечивают индивидуальные решения, такие как:
-
Носитель пластин и лодочка
-
Газодиффузионные детали
-
Детали, устойчивые к плазме
-
Специальный держатель для обработки кремниевых пластин
Революция в литье по выплавляемым моделям
Форма SiC имеет меньшую термическую массу и более высокую теплопроводность, чем обычные материалы, что снижает постобработку, улучшает качество поверхности и повышает эффективность литья. Это улучшает упаковку пространства в печи ограниченного объема.
Автомобильная промышленность
Высокопроизводительные тормозные диски и детали автомобильного сцепления с повышенной долговечностью для систем терморегулирования.
Энергетическое Поле
-
Детали солнечной энергии
-
Ядерный топливный кожух
-
Высокотемпературный теплообменник
-
Детали турбин для выработки электроэнергии
Химическая обработка
-
Коррозионностойкие клапаны и насосы
-
Пользовательский контейнер реакции
-
Носитель катализатора со сложной внутренней формой
-
Теплообменник для работы в жестких условиях
-
Статические смесители с внутренними характеристиками, которые невозможно реализовать обычными методами
Заявление на защиту
Индивидуальная защитная одежда с твердостью по шкале Мооса 9,5 обеспечивает непревзойденную защиту от тупых ударов и баллистических ударов. Гибкость комбинационного извержения обеспечивает индивидуальную подгонку защиты без плесени.
Соображения стоимости и Возврат инвестиций
Стоимость и окупаемость инвестиций в 3D-печать из карбида кремния зависят от нескольких факторов.
Объем производства:. Для мелкосерийного производства сложных деталей стоимость 3D-печати часто ниже. В то время как традиционный метод производства является дорогим, поскольку использует дорогие формы. В то время как для массового производства традиционные методы могут быть более рентабельными.
Сложность конструкции:. Фактическая ценность 3D-печати SiC заключается в изготовлении сложных конструкций. Эти конструкции невозможно реализовать традиционными методами. Ценность сложных каналов охлаждения, внутренних структур и индивидуальных конструкций оправдывает стоимость.
Использование материалов:. 3D-печать обычно использует материалы более эффективно, чем методы производства на основе резки. Это особенно важно, учитывая высокую стоимость порошка SiC (обычно 50-150 долларов за кг, в зависимости от сорта и чистоты).
Драйвер рентабельности инвестиций
-
Исключите дорогостоящую оснастку для сложных форм
-
Сократить время выполнения заказа с недель до дней
-
Более низкая совокупная стоимость владения высокопроизводительными компонентами
-
Обеспечивает массовую настройку для специальных приложений
Будущее направление
Поле 3D-печать карбид кремния продолжает расти:
Интеграция процессов: Автоматизация и интеграция всего производственного процесса повышают согласованность и снижают затраты.
Мониторинг в реальном времени:. Передовая технология мониторинга во время печати обеспечивает мгновенный контроль качества и изменение процесса. Она снижает количество дефектов и улучшает согласованность компонентов.
Новые приложения:. По мере совершенствования технологий продолжают появляться новые приложения. Эти области нуждаются в индивидуальной высокопроизводительной керамике, особенно для суровых условий.
Решения по масштабируемости: Ведущие производители, такие как Saint-Gobain, используют передовые системы струйной подачи связующего для исследований, разработок и масштабирования коммерческих приложений — от лабораторных исследований до полномасштабного производства.
Заключительные мысли
3D-печать карбидом кремния позволяет создавать сложные, высокопроизводительные компоненты. Эти техническая керамика предназначены для экстремальных условий. Несмотря на трудности обработки, эта технология продолжает развиваться. SiC является жизнеспособным вариантом в требовательных отраслях, полупроводниках и аэрокосмических приложениях.
Контакт Керамика GGS сегодня, чтобы воплотить ваш сложный дизайн в реальность и стать конкурентоспособными благодаря нашему передовому опыту в области керамики.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли печатать карбидом кремния?
Мы можем печатать карбидом кремния с использованием струйной печати связующим, SLA, DIW или FFF методами с 67.6% SiC-наполненными нитями. Это позволяет нам производить высокопрочные и высокотемпературные компоненты для передовых приложений. Также доступны электропроводящие версии.
Какие методы 3D-печати используют керамические материалы?
Три основных метода — это струйная печать связующего, стереолитография (SLA), методы прямого нанесения чернил (DIT) и изготовление сплавленных нитей (FFF). Их можно использовать для 3D-печатная керамика например, карбид кремния.
Как работает кремниевая 3D-печать?
Силиконовые 3D-печати используют SLA или экструзионное формование для создания мягких, гибких деталей. Это сильно отличается от использования карбида кремния в твердых, прочных деталях.
Каковы области применения карбида кремния в керамике?
Карбид кремния используется для изготовления керамических деталей с превосходной стойкостью к нагреву, износу и химическому воздействию. Он распространен в аэрокосмической промышленности, полупроводниках, энергетических системах, ядерных реакторах и персонализированном защитном оборудовании.
Как изготавливается керамика из карбида кремния?
Керамика из карбида кремния изготавливается путем ламинирования порошка или пасты SiC. Затем он спекается или пропитывается для обеспечения прочности и долговечности. Передовые методы включают интеграцию CVI и обработку при атмосферном давлении для достижения превосходного качества.