中科院上硅所《Adv Sci》：增材制造航天級碳纖維增強碳化硅輕質空間光學元件

第一作者：張步豪、王力

通訊作者：黃政仁、劉學建、殷杰

通訊單位：中國科學院上海硅酸鹽研究所

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202517980

導讀：選區激光燒結（SLS）作為一種增材制造技術能夠高速、低耗的復雜結構成型，但其在航天級陶瓷復合材料中的應用仍受制于陶瓷的燒結活化能高及界面結合呈脆性等問題。本文提出一種復合制造路線，即以碳纖維增強碳化硅（Cf/SiC）輕質空間光學元件為模型，將SLS預制體制備與界面致密處理及薄膜精加工相結合。為突破傳統液相滲硅（LSI）工藝的固有局限，通過酚醛樹脂浸漬與受控熱解進行異位構建，引入精心設計的熱解碳（PyC）界面相，由此建立了一種新型界面設計策略：在穩定纖維-基體相互作用的同時，能夠實現高效載荷傳遞與熱傳導。所制備Cf/SiC復合材料表現出了優于同類材料的力學及熱學等綜合穩定性。通過物理氣相沉積（PVD）制備致密硅/銀薄膜，獲得了可見光波段高反射率的超光滑鏡面（表面粗糙度均方根值0.031 λ）。該方案通過“分級調控”策略，利用光學薄膜堆棧精確定義粗糙度與反射率，并依托Cf/SiC基底保障結構剛度與穩定性。這一成果不僅驗證了Cf/SiC空間光學元件規模化制造的技術可行性，也表明了界面科學調控是提升新一代面向航天多功能用途陶瓷復合材料綜合性能的有效手段。

碳化硅基復合材料因其優異的熱穩定性和力學性能，在航天光學系統、熱管理等領域具有重要應用價值。然而，傳統方法難以制備大尺寸、復雜形狀的Cf/SiC構件，而增材制造中的選區激光燒結（SLS）雖具備高效、自支撐成型優勢，卻面臨致密度不足與界面結合弱的問題。為克服這一問題，往往采用SLS結合液相反應滲硅（RMI）來解決這一問題，但于打印坯體較高的開口孔隙率會導致燒結后復合材料中殘留硅含量過高。近期研究聚焦于降低打印Cf/SiC預制體的孔隙率并調控碳含量，以此作為提升致密化程度與整體性能的有效策略。但復合材料最終殘留硅含量依舊較高，且由于硅與SiC的性能差異顯著，在復合材料拋光過程中，因多相剛度不同導致表面光滑度難以提升。此外，優化熱性能對實現熱穩定性也至關重要。另一方面，SLS制備的Cf/SiC復合材料表面粗糙度仍無法滿足空間應用要求，為滿足空間環境則必須進行功能薄膜沉積。因此，如何快速高效的制備穩定性好、強度高、界面結合良好、光學性能優異的Cf/SiC復合材料，是一個極具挑戰性的難題。

圖1 光學級Cf/SiC復合材料的制備工藝流程示意圖。該工藝鏈包括：復合材料選區激光燒結（SLS）、酚醛樹脂（PR）浸漬、脫粘處理、液相反應滲硅（RMI），以及通過物理氣相沉積（PVD）進行表面改性，最終獲得光學元件。

圖2 不同酚醛樹脂（PR）濃度下經前驅體浸漬裂解（PIP）處理的Cf/SiC/C復合材料微觀結構與性能的關聯性分析。a–f）分別為PR含量0、20、30、40及50 wt.%時復合材料的SEM圖像，顯示出基體浸漬程度、結構連續性及界面完整性的漸進式改善。其中（f）的細節視圖揭示了SiC的形成、熱解碳（PyC）分布及殘余裂紋形貌。g–i）開孔孔隙率與體積密度（g）、碳密度（h）以及彎曲強度（i）隨PR濃度的演化規律。研究表明：PR含量的提升顯著促進致密化進程并改善力學性能，尤其在超過30 wt.%后，性能發生跳躍式提升。

圖3 不同酚醛樹脂濃度處理的Cf/SiC/C復合材料的物相組成與截面微觀結構。a) X射線衍射圖譜顯示隨PR添加量增加，α-SiC、β-SiC及殘余Si相的演變規律。b–f) 拋光截面的背散射電子圖像揭示了SiC（深灰）、殘余Si（淺灰）及碳相（黑色）的分布特征。其中碳相襯度包含碳纖維、PIP過程中酚醛樹脂轉化的熱解碳，以及LSI后局部殘留的游離碳。g–i) 放大BSE圖像及對應的C、Si元素EDS面分布圖，明確了富碳區與富硅區的空間分布。

圖4 不同酚醛樹脂（PR）濃度Cf/SiC復合材料的力學、熱學及斷裂特性。a–e）力學與熱學性能參數，包括殘余硅含量、孔隙率、密度、彎曲強度、斷裂韌性、彈性模量、熱膨脹系數（CTE）及熱導率。f–i）40 wt.% PR樣品的斷口形貌分析顯示SiC基體與嵌入的碳纖維。圖中暗色界面區域對應反應層或富碳界面相，而非纖維缺失，這與改善界面結合的受控界面反應機制相符。

圖5 采用選區激光燒結（SLS）技術制備的前驅體浸漬裂解（PIP）衍生Cf/SiC/C預制體及其相應復雜構型Cf/SiC復合材料（40 wt.% PR）。a–c）燒結態PIP生坯：（a）空心立方體，（b）光學元件坯體，（c）點陣夾芯板。d–f）經反應熔體滲透處理后獲得的對應Cf/SiC復合材料，完整保持了設計結構，并展現出改善的結構完整性與致密化程度。

圖6 經前驅體浸漬裂解（PIP）處理與未處理Cf/SiC光學元件的表面形貌與光學反射性能對比。a–d) Cf/SiC基體表面在硅涂層沉積前（a,b）及沉積后（c,d）的原子力顯微鏡圖像，分別對應未經過PIP處理（a,c）與經40 wt.% PR的PIP處理（b,d）樣品。e) 硅涂層沉積前后基底的反射率變化。f,g) 銀涂層在全光譜范圍（f）及可見光波段（g）的反射率曲線。分析表明，PIP處理顯著改善了表面均勻性與光學性能。

圖7 增材制造Cf/SiC光學元件的表面波前圖（PVD前）與性能基準對比。a,b) 未添加PR與添加40 wt.% PR樣品的全口徑干涉面形圖，圖中標注了面形峰谷值（PV）與均方根值（RMS）。c) 與典型SiC基光學元件（包括Boostec? SiC、NT-SiC、HB-Cesic?、Ceraform SiC及CIOMP等大口徑SiC光學元件）的性能雷達圖對比。

總結與展望

通過選區激光燒結（SLS）、前驅體浸漬裂解（PIP）、液相反應滲硅（RMI）與物理氣相沉積（PVD）技術，本研究系統優化了Cf/SiC光學元件的制備工藝路線。在PIP階段引入酚醛樹脂實現了可控熱解碳（PyC）的原位生成，有效降低了素坯的開孔隙率并增強了其結構完整性。分析表明，由于熔融硅與工程化碳架構之間界面反應性的提升，復合材料中殘余硅含量顯著降低。最終獲得的Cf/SiC復合材料兼具強度與韌性，為構件在裝配與振動環境下的可靠性提供支撐；而通過沉積致密的光學功能膜層，實現了表面粗糙度均方根值0.031 λ、可見光波段平均反射率達97.2%的超光滑表面。本研究的創新在于通過SLS增材制造技術，實現了近凈成形制造與光學表面特性的逐級調控：Cf/SiC基底則承擔熱機械穩定性的支撐功能，而Si/Ag光學薄膜堆棧則決定了微觀粗糙度與可見光反射性能。本工作給出的集成性技術，成功解決了碳化硅復合材料在復雜幾何構型、力學魯棒性與光學表面質量之間的傳統矛盾，為航天領域輕量化高精度光學元件的制造提供了切實可行的技術路徑。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。

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