陶瓷3D打印一直備受關(guān)注，如今業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出了多種基于不同3D打印工藝的商業(yè)化設(shè)備，并適用于不同領(lǐng)域的陶瓷應(yīng)用。但需要指出的是，陶瓷3D打印技術(shù)并沒有像金屬和聚合物那樣成熟，在應(yīng)用領(lǐng)域也遠(yuǎn)未有后兩類材料那樣廣泛，所能制造的材料種類也多局限于氧化物陶瓷。

非氧化物陶瓷（碳化物、氮化物和硼化物）具有非常理想的特性，包括高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，以及對長時(shí)間暴露于高溫、化學(xué)、輻射、應(yīng)力和機(jī)械磨損的適應(yīng)性。非氧化物陶瓷中的超高溫陶瓷具有所有二元化合物中*高的熔點(diǎn)（超過3000°C），并且在2000°C以上的空氣中具有熱和化學(xué)穩(wěn)定性。由于其極端的耐火特性，受到了航空航天、火箭推進(jìn)和高超音速領(lǐng)域的關(guān)注，該材料可用于制造這些領(lǐng)域的熱保護(hù)系統(tǒng)、噴管、喉管以及天線罩，這些應(yīng)用通常在高熱通量、腐蝕性氧化環(huán)境和快速加熱/冷卻速率場景下使用。

使用增材制造或傳統(tǒng)陶瓷加工技術(shù)生產(chǎn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超高溫陶瓷既困難又昂貴。這些材料中的強(qiáng)共價(jià)離子鍵和金屬鍵抑制了足夠的原子流動性以減輕加成過程中的熱誘導(dǎo)應(yīng)力，并且在加熱到產(chǎn)生流動性的溫度時(shí)可能導(dǎo)致分解，因此需要高后處理溫度和壓力輔助技術(shù)來生產(chǎn)致密部件。這些方法通常將幾何復(fù)雜性限制為簡單的軸對稱形狀（如圓柱體）或沒有內(nèi)部特征的組件。當(dāng)使用 3D打印技術(shù)成形耐火陶瓷時(shí)，顆粒材料的高溫固結(jié)（燒結(jié)）需要結(jié)合相或有機(jī)添加劑（分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑、潤滑劑等）以在非反應(yīng)性材料上提供所需的流變和內(nèi)聚特性原料。對于超高溫陶瓷材料的3D打印，需要高溫（＞ 2000 °C）、緩慢加熱（0.1–2°C/h）和熱等靜壓，緩慢的原子擴(kuò)散阻礙了非氧化物顆粒的固結(jié)和燒結(jié)。

增材制造技術(shù)前沿注意到，約翰霍普金斯大學(xué)的一組研究人員使用商用系統(tǒng)成功制造了超高溫碳化物陶瓷。這是一種被稱為兩步反應(yīng)的3D打印技術(shù)，制備出了具有亞毫米分辨率的碳化鈦 (TiC)立方體和晶格結(jié)構(gòu)。而碳化鈦是一種類似于碳化鎢的堅(jiān)硬耐火陶瓷，具有高熔點(diǎn) (3067°C)、高硬度、極高的抗壓強(qiáng)度、耐化學(xué)侵蝕、低摩擦系數(shù)以及高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。該材料通常被作為金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)成分使用，作為單獨(dú)材料進(jìn)行3D打印則未看到過報(bào)道。

˙將鈦粉與酚醛樹脂混合，使用粉末床激光燒結(jié)（SLS）工藝打印成生坯，期間使用氬氣保護(hù)；

˙將坯體在甲烷（CH4）氣氛中進(jìn)行原位等溫氣固轉(zhuǎn)化，經(jīng)兩步反應(yīng)得到超高溫碳化物陶瓷TiCx；為反應(yīng)生成TiC，需要進(jìn)一步處理。

研究發(fā)現(xiàn)，與不發(fā)生氣固反應(yīng)的其他間接增材制造技術(shù)相比，鈦粉在與甲烷發(fā)生反應(yīng)時(shí)釋放的大量熱量促進(jìn)了粒子間的鍵合；同時(shí)，Ti轉(zhuǎn)化為TiC會產(chǎn)生體積膨脹，彌補(bǔ)了酚醛樹脂分解產(chǎn)生的孔隙，從而減少了材料收縮，獲得無裂紋試樣。

溫度控制和加熱持續(xù)時(shí)間可用于改變生坯微觀結(jié)構(gòu)并調(diào)整轉(zhuǎn)化率和碳化物的量，在生坯致密化之前進(jìn)行氣固反應(yīng)，直到氣體擴(kuò)散率受到限制，這種兩步后處理程序可能被證明在創(chuàng)建致密、堅(jiān)固的 超高溫陶瓷組件方面*有效。在此反應(yīng)合成過程中，必須仔細(xì)控制溫度、氣體成分和加工條件，確保同時(shí)發(fā)生放熱反應(yīng)、反應(yīng)結(jié)合和致密化，從而生產(chǎn)出結(jié)合良好、致密性更高的TiC部件。

研究人員使用該技術(shù)打印了立方體塊體和金剛石立方晶格結(jié)構(gòu)，其中晶格結(jié)構(gòu)的分辨率達(dá)到50μm，具有足夠的強(qiáng)度且無裂紋。經(jīng)過快速、高溫加熱，晶格結(jié)構(gòu)能夠在1300°C的峰值穩(wěn)態(tài)溫度保持2分鐘；經(jīng)過熱沖擊測試的晶格保持了機(jī)械性能并能夠支撐800g的氧化鋁耐火磚。

總的來說，這項(xiàng)研究為實(shí)現(xiàn)非氧化物超高溫陶瓷的增材制造開創(chuàng)了一種可行的方法，進(jìn)一步的研究將能推進(jìn)該技術(shù)在火箭推進(jìn)、高超聲速熱防護(hù)及其他極端環(huán)境中的應(yīng)用。