【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳化硅材料增材制造，涉及结构功能一体化的高纯度β-碳化硅及其制备方法和应用。
技术介绍
1、碳化硅材料是一种先进的结构材料，具有高硬度、低密度以及良好耐磨损性等优异的力学性能，也具有高熔点、高热导率、低膨胀系数以及良好高温稳定性等优异的热学性能。同时，碳化硅材料也是一种性能优异的功能材料，除了具有良好的化学稳定性、导热性和抗中子辐射性等物理化学性质，还具有宽带隙、高击穿电场和饱和电子漂移速率。因此，碳化硅材料在航空航天、机械制造、核工业和微电子工业等诸多领域具有广泛的应用。其中，β-碳化硅的硬度、强度、导热性、耐磨性、耐高温和抗热震等性能优于常见的α-碳化硅，更是航空航天和能源动力等高温、高强度应用领域的首选碳化硅材料。但是，β-碳化硅材料在制备和应用中存在以下几个问题：(1)由于碳化硅硬度极高导致其加工难度大，熔点高导致其难以实现致密化烧结，从而使得碳化硅成为了典型的难加工材料，极大地限制了其在各领域中的应用；(2)受限于碳化硅材料的传统制造技术，难以实现复杂形状、具有内流道结构等碳化硅材料的一体化制造，多采用分体设计制造后组装成形的方法，无法实现材料的结构功能一体化，从而大大降低了碳化硅材料在服役过程中的稳定性和可靠性；(3)当作为航空航天领域辐射屏蔽材料或核工业领域堆芯材料时，还需要在碳化硅材料中可控分布钨、钆、核燃料等其它颗粒材料，然而现有制造技术无法满足该特定需求。因此，如何在保证纯度的条件下降低β-碳化硅材料的加工难度，在实现致密化烧结的同时还能够实现结构功能的一体化以及实现材料中可控分布其它颗粒材料，
2、增材制造是一项变革性的数字化制造技术，具有快速、精确、定制化、浪费少等优点。增材制造技术解放了设计思想，使得结构设计不必局限于简单规则的几何结构，也不必采用分体式设计，而是可以结合不同应用场景的高效热传导、高强度、紧凑化、轻量化等功能需求，实现具有更优良热工和力学性能的复杂结构设计；同时还可在制造过程中实现碳化硅材料内部其它功能颗粒材料的可控分布，如圆形排列、三角形排列、方形排列、多边形排列等，为航空航天领域辐射屏蔽材料、核工业领域堆芯材料等的设计发展，提供制造技术支持。
3、目前，主流的碳化硅增材制造技术包括立体光固化工艺和墨水直写工艺。具体为：(1)利用sic先驱体聚合物作为原料，采用立体光刻和直接墨水书写增材制造sic材料，该技术使得最终成形零件的纯净度较差，残留自由碳且sio2含量难以控制，限制了其在航空航天、核工业和微电子工业等对sic材料纯度要求较高领域中的应用；(2)利用粉末浆料的立体光刻工艺(含浸渍裂解后处理)和co2连续激光选区烧结工艺(含高温液相渗硅反应烧结)成形sic材料，由于原料中包含有大量树脂，仍然存在残碳、硅问题，限制了其在航空航天、核工业和微电子工业等对sic材料纯度要求较高领域中的应用；(3)利用粉末浆料的直接墨水书写和凝胶铸造方法成形sic材料，由于后处理工艺基于液相烧结，烧结温度较高，制得sic材料在高温条件下耐受性能下降，限制了其在高温能源动力领域中的应用。
4、上述增材制造技术虽然能够实现结构功能一体化碳化硅的制备，但存在纯度不高、致密度低以及用于高温能源动力领域时安全可靠性存在隐患等问题。因此，有必要继续开发新的方法来制备一体化成形的高纯度碳化硅，在具有特定结构的同时还能满足不同行业领域的功能需求。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种结构功能一体化的高纯度β-碳化硅的制备方法；本专利技术的目的之二在于提供一种结构功能一体化的高纯度β-碳化硅；本专利技术的目的之三在于提供该结构功能一体化的高纯度β-碳化硅在航空航天领域、核工业领域或能源动力领域方面的应用。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、1.一种结构功能一体化的高纯度β-碳化硅的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
4、(1)根据实际应用需求构建目标β-碳化硅的三维结构模型，然后切片，获得厚度为1～2mm的碳化硅薄层几何模型；
5、(2)在3d打印平台中输入步骤(1)中所述碳化硅薄层几何模型的结构和形状信息，然后铺一层平均粒径为20～40μm的β-碳化硅粉末，待铺粉结束后由所述3d打印平台的喷头根据输入信息喷射粘结剂，重复铺粉和喷射粘结剂的过程直至打印出具有所述结构和形状信息的β-碳化硅薄层，经烘干固化后获得β-碳化硅薄层材料；
6、(3)在步骤(2)中所述β-碳化硅薄层材料的表面建立气流场、内部建立温度梯度场，然后将氩气、氢气和前驱气体形成的混合气体沿所述β-碳化硅薄层材料的表面向内部扩散，待所述混合气体扩散至900～1200℃的高温区后即在所述β-碳化硅薄层材料的孔隙间沉积生长β-碳化硅，沉积生长250～300h后获得致密化的β-碳化硅薄层材料；
7、(4)重复步骤(2)～(3)，然后将获得的致密化的β-碳化硅薄层材料进行组装，形成具有三维结构的目标β-碳化硅；
8、(5)将氩气、氢气和前驱气体形成的混合气体沿步骤(4)中所述目标β-碳化硅的表面向内部渗透，待所述混合气体扩散至900～1200℃的高温区后即在所述目标β-碳化硅中致密化的β-碳化硅薄层材料的层间隙沉积生长β-碳化硅，沉积生长250～300h，即可获得结构功能一体化的高纯度β-碳化硅；
9、所述前驱气体包括ch3sicl3。
10、优选的，步骤(1)中所述根据实际应用需求构建目标β-碳化硅的三维结构模型具体为：根据实际应用中对形状的需求构建相应形状的目标β-碳化硅的三维结构模型；根据实际应用中对颗粒材料孔位可控分布的需求构建预留颗粒材料孔位的目标β-碳化硅的三维结构模型；
11、所述颗粒材料为辐射屏蔽材料、核燃料颗粒材料或氧化锆颗粒材料中的任意一种；
12、所述辐射屏蔽材料包括钨颗粒材料或钆颗粒材料中的任意一种。
13、优选的，所述颗粒材料孔位的排列方式为圆形排列、三角形排列、方形排列或多边形排列中的任意一种。
14、优选的，所述颗粒材料固定在预留孔位的具体操作如下：
15、将颗粒材料填充在所述致密化的β-碳化硅薄层材料的预留孔位中，然后采用所述粘结剂进行固定。
16、优选的，所述粘结剂为ph＝7.3、质量百分含量为15％的糊精水溶液。
17、优选的，步骤(2)中所述烘干固化的温度为120～150℃、时间为10～15h。
18、优选的，步骤(3)和(5)中所述氩气、氢气和前驱气体的摩尔比为40:40:1。
19、优选的，步骤(3)和(5)中所述氩气和氢气的气体流速均为350ml/min；所述前驱气体的气体流速为10ml/min。
20、2.所述方法制备而得的结构功能一体化的高纯度β-碳化硅。
21、3.所述结构功能一体化的高纯度β-碳化硅在航空航天领域、核工业领域或能源动力领域中的应用。
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【技术保护点】
1.一种结构功能一体化的高纯度β-碳化硅的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述根据实际应用需求构建目标β-碳化硅的三维结构模型具体为：根据实际应用中对形状的需求构建相应形状的目标β-碳化硅的三维结构模型；根据实际应用中对颗粒材料孔位可控分布的需求构建预留颗粒材料孔位的目标β-碳化硅的三维结构模型；
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述颗粒材料孔位的排列方式为圆形排列、三角形排列、方形排列或多边形排列中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述颗粒材料固定在预留孔位的具体操作如下：
5.根据权利要求1或权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为pH＝7.3、质量百分含量为15％的糊精水溶液。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述烘干固化的温度为120～150℃、时间为10～15h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)和(5)中所述氩气、氢气和前驱
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)和(5)中所述氩气和氢气的气体流速均为350mL/min；所述前驱气体的气体流速为10mL/min。
9.根据权利要求1～8任一项所述的方法制备而得的结构功能一体化的高纯度β-碳化硅。
10.权利要求9所述的结构功能一体化的高纯度β-碳化硅在航空航天领域、核工业领域或能源动力领域中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种结构功能一体化的高纯度β-碳化硅的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述根据实际应用需求构建目标β-碳化硅的三维结构模型具体为：根据实际应用中对形状的需求构建相应形状的目标β-碳化硅的三维结构模型；根据实际应用中对颗粒材料孔位可控分布的需求构建预留颗粒材料孔位的目标β-碳化硅的三维结构模型；
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述颗粒材料孔位的排列方式为圆形排列、三角形排列、方形排列或多边形排列中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述颗粒材料固定在预留孔位的具体操作如下：
5.根据权利要求1或权利要求4所述的制备方法，其特征在于：...
【专利技术属性】
技术研发人员：李虹波，张祺，杨钦，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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