Razvoj filamenta z uporabo predkeramičnega polimera za aditivno proizvodnjo SiC : magistrsko delo

Ivančič, Tomaž (avtor), Nagode, Aleš (mentor), Iveković, Aljaž (komentor)

Silicijev karbid (SiC) je zaradi svoje kemične inertnosti in temperaturne stabilnosti široko uporabljena keramika v kemični industriji, pri čemer pa je njegova proizvodnja, zlasti za kompleksne geometrije, tehnično zahtevna in energetsko zelo potratna. Aditivna proizvodnja ponuja obetavno alternativo, vendar njeno širšo uporabo omejujejo izzivi, kot so odstranjevanje veziva in visoke temperature zgoščevanja (1600 – 2000 °C). Predkeramični polimeri (PCP) predstavljajo učinkovito rešitev, saj delujejo kot ne-žrtvovalna veziva, ki se pri nizkih temperaturah pirolize pretvorijo v keramiko. V tej raziskavi je bila preučena uporabo PCP polimetilsiloksana (SilreMK – SMK) kot ključne komponente termoplastičnega veziva za pripravo filamentov na osnovi SiC, primernih za aditivno proizvodnjo z metodo ciljnega nalaganja (Fused Filament Fabrication – FFF). Mešanice s 40–50 vol.% ß-SiC prahu ter različnimi razmerji SMK in etilen vinil acetata (EVA) so bile homogenizirane in ekstrudirane v filamente premera 1,75 mm. Sposobnost tiskanja filamenta je bila predvsem odvisna od viskoznosti taline in fleksibilnosti filamenta. Mejna viskoznost je bila dosežena pri 44 vol.% SiC, medtem ko se je fleksibilnost filamenta zmanjševala z večjem vsebnosti SMK. Natisnjeni vzorci so bili pirolizirani pri 700, 1000 in 1500 °C v argonu. V nasprotju s konvencionalno obdelavo SiC pride do pirolize PCP že pri bistveno nižjih temperaturah. S tem se tvori keramični kompozit, sestavljen iz SiOC matrice in pasivnega SiC polnila. Končni produkt je izkazoval minimalno krčenje (< 5 %) in ni imel večjih napak. Upogibna trdnost je bila pretežno odvisna od vsebnosti SMK. Največja vrednost (120 MPa) je bila dosežena pri sestavi z 42 vol.% SiC in razmerjem SMK:EVA 65:35 po pirolizi pri 1000 °C. Rezultati potrjujejo, da filamenti na osnovi PCP omogočajo tiskanje z metodo FFF kompleksnih komponent iz SiC keramike z ustreznimi mehanskimi lastnostmi za uporabo, na primer, kot nosilci katalizatorjev. Poleg tega so te lastnosti dosežene že pri relativno nizkih temperaturah pirolize, kar proces naredi energetsko učinkovitejši.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: Silicijev karbid, predkeramični polimer, metoda ciljnega nalaganja keramični kompozit
• Vrsta gradiva: Magistrsko delo/naloga
• Tipologija: 2.09 - Magistrsko delo
• Organizacija: NTF - Naravoslovnotehniška fakulteta
• Kraj izida: Ljubljana
• Založnik: T. Ivančič
• Leto izida: 2025
• Št. strani: XII, 64 f.
• PID: 20.500.12556/RUL-172070
• UDK: 669
• COBISS.SI-ID: 256086787
• Datum objave v RUL: 05.09.2025

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: Development of preceramic polymer-filled filament for additive manufacturing of SiC : master's thesis

Izvleček

Silicon carbide (SiC) is widely used ceramic material in the chemical industry due to its chemical inertness and high-temperature stability. However, conventional production methods (especially for complex shapes) are energy-intensive and technically challenging. Additive manufacturing (AM) offers a promising alternative, but issues like binder removal and high densification temperatures (1600–2000 °C) hinder its broader adoption. Preceramic polymers (PCP) present a viable solution, functioning as non-sacrificial binders with low-temperature pyrolysis required to form a ceramic. In this work, PCP polymethylsiloxane was evaluated as a key component of a thermoplastic binder system for producing SiC-based filaments suitable for fused filament fabrication (FFF). Mixtures containing 40–50 vol.% β-SiC powder with PCP Silres MK (SMK) and thermoplastic polymer ethylene-vinyl acetate (EVA) in varying SMK:EVA ratios were homogenized and extruded into 1.75 mm filaments. Filament printability was primarily influenced by its melt viscosity and flexibility. The printable upper limit was reached at 44 vol.% SiC, while increasing SMK content reduced filament flexibility. Printed samples were pyrolyzed at 700, 1000, and 1500 °C in argon. Unlike conventional SiC processing, polymer to ceramic conversion occurred at significantly lower temperatures, forming a ceramic composite with an SiOC matrix (from SMK) and SiC passive filler. The final product showed minimal shrinkage (<5%) and no major defects. Flexural strength was found to depend primarily on the amount of SMK in the formulation. As a result, maximal flexural strength of 120 MPa was obtained for composition containing 42 vol.% SiC and SMK:EVA ratio of 65:35, after pyrolysis at 1000 °C. These results confirm that PCP-based filaments enable FFF of complex SiC ceramics with adequate mechanical properties for applications such as catalyst supports. Furthermore, these properties are achieved at relatively low pyrolysis temperatures, making the process more energy-efficient.

• Ključne besede: Silicon carbide, preceramic polymer, ceramic composite, fused filament fabrication