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(dòng)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(dòng)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。