中国科学院突破硅碳镜面3D打印技术

中国科学院的研究人员近期在《先进制造光》（Light: Advanced Manufacturing）期刊上发表了一项重要成果，详细阐述了利用粘结剂喷射（Binder Jetting, BJT）增材制造技术生产高性能碳化硅（Silicon Carbide, SiC）光学镜面的工艺路径。这一突破旨在解决航天级光学元件在轻量化与复杂结构成型方面的制造瓶颈。

碳化硅因其高比刚度、低热膨胀系数及优异的热导率，被公认为高性能空间光学镜面的理想材料。然而，随着光学系统对轻量化和复杂几何形状（如三周期极小曲面、拓扑优化结构和晶格结构）需求的增加，传统的压力成型和注浆成型工艺已难以满足这些设计要求。

增材制造技术的权衡与挑战

增材制造为无需模具或大量机加工即可生产复杂陶瓷结构提供了可能。对于碳化硅镜面而言，典型流程是先制备多孔预制件，随后通过反应熔体渗透（Reactive Melt Infiltration, RMI）致密化，形成硅/碳化硅复合材料。

在探索该应用的多种增材制造技术中，每种技术均存在利弊权衡：光固化成型（Vat Photopolymerisation）精度高但材料性能需提升；粉末床熔融（Powder Bed Fusion, PBF）易因快速热循环导致变形；材料挤出（Material Extrusion, MEX）材料性能良好但几何复杂度受限。相比之下，粘结剂喷射技术效率高且设计自由度大，但仍面临渗透后高孔隙率和残留硅含量高的问题，这可能降低机械性能。

石墨添加策略优化材料性能

为克服上述局限，研究团队重点研究了复合粉末优化策略，旨在通过提高预制件内的碳含量来减少残留硅。虽然此前曾采用碳前驱体渗透和热解（CPIP）技术，但粘结剂喷射零件的大孔径可能导致反应不完全及残留碳，进而影响光学性能。

在题为《通过石墨添加法实现高性能碳化硅光学镜面的粘结剂喷射增材制造》的研究中，团队提出了一种石墨添加方法，将纳米级、微米级、片状和纤维状石墨融入碳化硅粉末原料中。石墨在此过程中发挥双重作用：改善粘结剂喷射过程中的粉末流动性，并作为碳源促进残留硅在反应熔体渗透阶段转化为二次碳化硅。

评估结果显示，片状石墨效果，将粉末的卡氏指数从39.14%降低至31.29%，并将预制件密度从1.24 g/cm³提升至1.34 g/cm³。这种均匀性的改善使得渗透过程中的反应更加完全。Zui终，残留硅含量降低了18.18%，整体密度增加了近6%。

机械和热学性能也显著提升，弯曲强度达到268 MPa，弹性模量为330 GPa，热导率为127 W/(m·K)。对具有复杂几何形状的镜面进行的光学测试表明，精加工后的表面粗糙度为0.772 nm RMS，形状精度为12.05 nm RMS，显示出其在高性能光学应用中的适用性。

研究人员指出，该研究进一步证明，粘结剂喷射与反应熔体渗透工艺链具有极强的尺寸控制能力，偏差低于0.5%，且样品间孔隙率一致。该方案代表了硅/碳化硅光学镜面近净成形制造的可行路线，结合了几何灵活性与改进的材料性能。

这一技术突破不仅展示了中国在高端光学制造领域的科研实力，也为国内航天及精密仪器企业提供了新的工艺选择。通过优化粉末流变性与反应动力学，中国企业有望在低成本、复杂结构陶瓷镜面的量产上取得竞争优势，推动国产高端光学装备的自主化进程。