激光打印结合聚合物浸渍-热解技术制备短切碳纤维增强碳化硅复合材料的热各向异性研究

为解决航空航天、电子和汽车工业中热管理系统的效率问题，研究人员通过激光打印(SLS)结合聚合物浸渍-热解(PIP)技术，成功制备了具有显著热各向异性的短切碳纤维(Cf)增强碳化硅(SiC)复合材料。优化后的复合材料(20 vol% Cf)展现出高纤维取向度(fp=0.7677)和优异的热导率各向异性比(1.8)，同时保持150.4 MPa的弯曲强度，实现了结构-功能一体化设计。

　　

在高温极端环境下的热管理领域，传统各向同性材料难以满足定向散热需求。碳化硅(SiC)虽具有优异的热稳定性，但其热导率各向异性调控仍面临挑战。现有方法如热压成型和生物模板法存在孔隙依赖性强、各向异性比低等问题，而3D打印技术为微观结构精确控制提供了新思路。

研究人员采用选择性激光打印(SLS)结合前驱体浸渍热解(PIP)的创新工艺，通过调控短切碳纤维(C_f)的取向分布，成功制备了具有定向热传导性能的C_f/SiC复合材料。关键技术包括：1) 采用DEM模型优化粉末铺展参数；2) 通过X射线断层扫描(X-CT)定量分析纤维取向；3) 结合系列-并联模型和网络模型模拟热传导行为；4) 使用1800℃高温退火实现SiC完全结晶。

3.1 粉末特性

激光粒度分析显示SiC粉末(D₅₀=41.6μm)具有最佳流动性，而环氧树脂(EP)粉末因宽分布(S=1.56)流动性较差。当C_f含量达20 vol%时，复合粉末的卡尔指数降至26.5，满足打印要求。

3.2 脱脂后坯体性能

X-CT显示20 vol% C_f样品(S-20C_f)纤维取向因子最高(f_p=0.7817)，孔径分布呈现23-26μm的单峰特征。汞孔隙度测定证实随着C_f含量增加，开孔率从63.4%升至74.1%。

3.3 复合材料性能

经过9次PIP循环后，样品开孔率降至7-8.4%，体密度提升至2.58-2.83 g/cm³。三点弯曲测试显示S-20C_f平行打印面方向强度达(150.4±9.8)MPa，各向异性比1.8。激光闪射法测得垂直/平行打印面热导率分别为70.14和38.87 W/(m·K)，显著高于文献报道的PIP制备材料。

该研究通过SLS/PIP协同工艺，首次实现了高体密度(>2.6 g/cm³)与强热各向异性(1.8)的协同优化。定向排列的C_f通过声子散射调控机制，在垂直方向形成连续SiC热通路，平行方向则产生界面热阻。这种"结构引导功能"的设计策略，为航天器前缘、高功率电子器件散热等应用提供了新材料解决方案。研究结果发表在《Journal of Materiomics》，展示了增材制造在先进热管理材料开发中的独特优势。