基于數(shù)字光固化和表面氧化技術制備復雜結構氮化硅零件

供稿人：伍言龍、王富 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

氮化硅（Si3N4）陶瓷具備耐高溫、高熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗熱振性能被廣泛汽車、航空航天等工業(yè)領域。數(shù)字光固化技術（DLP）突破了成形過程結構形狀，能夠制備高精度、形狀復雜的陶瓷零件，但氮化硅的折射率和樹脂溶液的折射率差異過大，紫外光在陶瓷漿料會產(chǎn)生嚴重散射現(xiàn)象，導致氮化硅陶瓷漿料固化深度過低甚至難以成形。

廣東工業(yè)大學伍尚華團隊先采用表面氧化技術在Si3N4陶瓷顆粒表面形成一層納米級的氧化物薄層，然后將氧化后的Si3N4陶瓷顆粒與樹脂配制成陶瓷漿料，并通過數(shù)字光固化技術實現(xiàn)了結構復雜零件的制備。

科技人員研究了氧化溫度（1150℃、1200℃）和氧化時間（1h、3h）參數(shù)對Si3N4陶瓷顆粒形態(tài)結構、相態(tài)及化學結構的影響。如圖1所示，在1150℃下氧化1h后，表面可見一層約4.6μm氧化物薄層。XRD，F(xiàn)TIR和XPS檢測結果如圖2所示，結果表明，氧化后的氮化硅粉體表面為非晶態(tài)SiO2，且SiO2含量極少。

圖1 Si3N4陶瓷顆粒氧化前后的微觀形貌（a）氧化前（b）氧化后

圖2 Si3N4陶瓷顆粒在不同氧化參數(shù)下的(a)XRD (b) FTIR (a)FPS結果

圖3a和3b分別為在不同氧化工藝參數(shù)下Si3N4陶瓷顆粒的吸光特性及對應陶瓷漿料的固化特性，結果表明氧化后的氮化硅吸光度隨氧化溫度和保溫時間的增加而降低，且小于原氮化硅的吸光度，而對應陶瓷漿料固化深度隨隨氧化溫度和保溫時間的增加而增加。因此，氧化后的氮化硅的折射率可能由于形成非晶態(tài)SiO2薄層而降低，從而導致較大的固化深度。

圖3 Si3N4陶瓷顆粒不同氧化參數(shù)下的(a)吸光特性 (b)陶瓷固化特性

科研人員采用在1150℃氧化1h的氮化硅粉體，并通過DLP設備制造出形狀復雜的葉片、椎骨和齒輪零件。燒結件的相對密度均大于理論密度的90%。燒結后的Si3N4樣品的微觀形貌如圖5(d)所示。結果表明，β-Si3N4晶粒是燒結試樣的主要組織，長棒狀晶粒嵌入細晶粒中，形成網(wǎng)狀結構，有利于提高陶瓷的力學性能。

圖4 氧化后的Si3N4陶瓷顆粒制備的(a)葉片 (b)椎骨 (c)齒輪 (d)微觀結構

參考文獻：
Huang R J, Jiang Q G, Wu H D, et al. Fabrication of complex shaped ceramic parts with surface-oxidized Si3N4 powder via digital light processing based stereolithography method [J]. Ceramics International, 2019, 45( 4):5158-5162.