中科院團隊｜3D打印碳化硅反射鏡研究取得新進展

3D打印技術參考注意到，來自中科院長春光機所、中國科學院大學以及中科院空間應用技術與工程中心的研究人員，近日在采用粘結劑噴射3D打印技術制造碳化硅反射鏡研究方面取得新進展。

研究人員開發出一種能夠低成本、高效率制造復雜結構、高性能SiC光學反射鏡的可行方法。

Si/SiC反射鏡，分別為拋光后、表面形狀精度、表面粗糙度

碳化硅（SiC）因高比剛度、低熱膨脹系數和高導熱性，成為高性能空間光學反射鏡的主要材料。然而，隨著光學系統對輕量化和復雜幾何形狀（包括三重周期極小曲面TPMS、拓撲優化和晶格結構）的需求不斷增長，傳統的制造方法（例如壓模成型和注漿成型）難以實現這些設計。

增材制造技術無需模具或大量機械加工即可生產復雜的陶瓷結構。對于碳化硅（SiC）反射鏡而言，這通常涉及先制備預成型坯體，然后通過反應熔滲工藝使其致密化，最終得到Si/SiC復合材料。

SiC反射鏡（圖文無關）

研究首先介紹了SiC反射鏡的傳統和增材制造技術分類。傳統上，SiC首先通過粉末模壓成型獲得坯體，再經燒結或反應性熔滲使其致密化。而增材技術則有多種工藝類型可以實現第一步的成型，如光固化、粉末床燒結、粘結劑噴射以及材料擠出沉積。

文章指出，光固化工藝可以制備高精度且結構復雜的Si/SiC陶瓷，但性能不佳的問題需要解決。粉末床燒結工藝中激光加熱引起的快速熔化和凝固過程容易導致部件變形。與光固化技術相比，材料擠出沉積制備的Si/SiC性能優異且殘余Si含量低，但該工藝無法制備懸垂、彎曲結構等。

SiC光學結構，來自avantierinc，圖文無關

在這些增材制造技術中，粘結劑噴射（BJ）工藝近年來因其高精度和高效性而發展迅速。

筆者查詢到，反應性熔滲的過程，是將SiC坯體與過量硅粉一起加熱到硅熔點（>1410°C）以上，液態硅通過毛細管力滲入多孔坯體，填充孔隙。然而，BJ制備的SiC坯體孔隙率高、密度低，導致反應性熔滲后的殘余硅含量高，材料整體性能不足。

從原理上來說，只要增加反應中的碳，就可以消耗游離硅。目前的解決方案之一是采用碳前驅體滲透+熱解，但這種方式在面對BJ打印的坯體時會發生滲透不均勻，仍然不能很好的解決問題；另一種方式是在前述方法的前一步，先改善坯體的孔隙結構（如孔隙尺寸或降低孔隙率），其手段是優化SiC粉末的特征和粒度分布，但距離實用還有距離。

燒結工藝：a脫脂和碳前驅體滲透+熱解；b反應熔滲

來自中科院的團隊探索了復合粉末優化策略。研究的重點是通過提高預制體中的碳含量來減少殘留硅。

雖然碳前驅體浸滲和熱解技術此前已被用于實現這一目標，但BJ工藝打印的坯體中較大的孔徑會導致反應不完全和殘留碳，從而對光學性能產生負面影響。

研究人員提出了一種石墨添加方法，將納米級、微米級、片狀和纖維狀等不同形態的石墨摻入碳化硅粉末原料中。石墨發揮雙重作用：一方面改善BJ打印過程中粉末的流動性；另一方面作為碳源，促進反應性熔滲過程中殘余硅轉化為二次SiC。

采用3D打印技術制備的Si/SiC反射鏡：a) 具有TPMS結構b) 具有拓撲結構c) 研磨后d) 薄膜厚度測量示意圖e) 薄膜厚度測量結果

在所評估的石墨類型中，片狀石墨效果最佳。研究指出，粉末的流動性有明顯改善，預成型體的密度從1.24 g/cm3提高至1.34 g/cm3。

坯體密度的提高使浸滲過程中的反應更加充分，殘余硅含量降低了18.18%，而整體密度提高了近6%。

機械性能和熱性能也得到提升，其彎曲強度達到268MPa，彈性模量達到330GPa，熱導率為127W/(m·K)。

對制備的具有復雜幾何形狀的反射鏡進行光學測試，結果表明，精加工后的表面粗糙度為0.772nm RMS，形狀精度為12.05nm RMS，表明其適用于高性能光學應用。

粘結劑噴射3D打印

研究人員表示，這項研究進一步證明，粘結劑噴射成型和反應性熔滲工藝組合，能夠實現極高的尺寸控制精度，偏差低于0.5%，且樣品間的孔隙率水平一致。

研究總結道，該方法為Si/SiC光學反射鏡提供了一種可行的近凈成形制造路線。這項研究以“Binder jetting additive manufacturing of high-performance silicon carbide optical mirrors via graphite addition method"為題，于2026年3月發表在Light: Advanced Manufacturing。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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