CN109279900B - 一种以可热固化聚碳硅烷3d打印制备碳化硅陶瓷制备方法 - Google Patents

一种以可热固化聚碳硅烷3d打印制备碳化硅陶瓷制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷的制备方法,将可热固化聚碳硅烷溶解并加入到喷雾造粒机中,进行喷雾造粒,得到可热固化聚碳硅烷的微球,粒径分布11~113um,将微球经过交联固化和热解,得到3D打印碳化硅陶瓷微球粉体,再以可热固化聚碳硅烷的溶液为粘结剂,加热并保持碳化硅微球温度为70~130℃,以3DP打印机进行3D喷墨打印,得到碳化硅陶瓷预制体,将预制体进行脱出溶剂和交联固化处理,再经过1160℃的热解,得到致密的碳化硅陶瓷。该制备原料单一,烧结温度低,所采用的陶瓷微球粉体和粘结剂的热解陶瓷产物组成一致,产物纯度高,制备过程的线收缩率不高于5%,成品率高。制备的碳化硅陶瓷密度2.3~2.4g/cm3。对3D打印碳化硅陶瓷具有推动作用。

Description

一种以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷制备方法
技术领域
本发明属于3D打印陶瓷技术领域,具体涉及一种以可热固化聚碳硅烷3D 打印制备碳化硅陶瓷制备方法。
背景技术
碳化硅陶瓷具有耐酸碱、耐磨、高温强度大和蠕变小、抗热震等优点,在航 天、核工业等领域有着广泛用途,目前用于制备碳化硅陶瓷快速成型的方法有: 分层实体制造(简称LOM);熔化沉积造型(简称FDM);形状沉积成型(简称 SDM);立体光刻(简称SLA);选区激光烧结(简称SLS);喷墨打印法(简称 IJM)。专利CN108409330A中,对碳化硅粉体包覆聚碳硅烷和二氧化硅粉的混 合物得到包覆粉,以低浓度聚碳硅烷溶液为“墨水”,采用直接三维打印成型机成 型打印粉得到陶瓷生坯,再进行高温烧结得到碳化硅陶瓷。专利CN105601830 A 公开了以超支化聚碳硅烷为主要成分,还包括活性稀释剂、光引发剂、添加剂等 的光固化材料的制备技术,并用于3D打印。专利CN 104559196A公开了一种无 色透明的光固化3D打印材料,该打印材料包括含乙烯基团的有机聚硅氧烷、含 硅氢键的有机聚硅氧烷、光引发剂、增强填料、助剂。发明专利CN 102516866 A公开一种紫外光固化材料,包括如下重量百分比的组分:光固化树脂40~ 60%;光固化稀释剂25~45%;光引发剂2~10%;紫外光存储稳定剂0~0.8%; 纳米填料0.5~30%;流平剂0.2~1%,专利CN 108147830 A公开了一种3D打印 陶瓷先驱体复合材料及其制备方法:黏土40~60份,生物质超细纤维20~30份,陶 瓷前躯体聚合物80~120份,光催化剂1~2份,荧光粉0.5~份和光敏树脂10~20份。
至今,3D打印碳化硅陶瓷的制备,按照的原料的状态可分为液态和固态 两种。3D打印陶瓷原料为液态时,需要加入光固化引发剂,稳定剂等,虽然在 3D打印成型时,至关重要,比如光固化引发剂提供了光固化性能等,但是在成 型后的热解制备陶瓷过程中,添加剂会分解,造成产物的孔隙和质量损失,对陶 瓷的性能有不利影响,甚至造成陶瓷的开裂破碎,通过液态原料制备出致密的碳 化硅陶瓷,线收缩率高,很难保证成品率。3D打印陶瓷原料为陶瓷粉体和某种 粘结剂所组成的固态混合物时,其原理是粘结剂在热解过程中包覆或者黏连陶瓷 粉体,形成具有一定强度的陶瓷,然而陶瓷粉末多为原子比为1∶1的碳化硅陶瓷 颗粒,粘结剂采用碳化硅的有机先驱体,比如聚碳硅烷,液态超支化聚碳硅烷, 聚碳硅烷在向碳化硅陶瓷转变时,会发泡和流动,对成型不利,聚碳硅烷热解后 的碳化硅含有富余的碳,在组成上与陶瓷粉体有差异,热膨胀系数有差别,对产 物的性能不利。综合以上所述,碳化硅陶瓷直接快速成型工艺尚未成熟。
发明内容
针对上述技术现状,本发明旨在提供一种以可热固化聚碳硅烷3D打印制备 碳化硅陶瓷的方法。
为了实现上述技术目的,将可热固化聚碳硅烷溶解后,加入到喷雾造粒机 中,进行喷雾干燥造粒,得到可热固化聚碳硅烷的微球,粒径11~113um,将微 球经过交联固化和热解,得到3D打印碳化硅陶瓷微球粉体。以所制备的可热固 化聚碳硅烷配置成5~20wt%的溶液,以所制备的碳化硅微球粉体铺设在3DP打 印机粉床上,加热并保持碳化硅微球温度为70~130℃,3DP打印机喷头喷射出 可热固化聚碳硅烷的溶液至粉体上,随着溶剂的挥发,快速地形成预制体的一层, 成型缸下降20~200um,供粉缸上升20~200um,推出碳化硅微球,并被铺粉辊 铺平、压实,重复喷射可热固化聚碳硅烷的溶液,铺粉,送粉,如此不断进行, 最终得到三维碳化硅预制体,再将预制体在氩气气氛中,进行1.5h,1160℃的热 解,冷却后得到致密的碳化硅陶瓷。该制备原料单一,烧结温度低,所采用的陶 瓷微球粉体和墨水的热解陶瓷产物组成一致,产物纯度高,制备过程线收缩率不 高于5%,成品率高,制备的碳化硅陶瓷密度2.3~2.4g/cm3
即,本发明的技术方案为一种以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷, 包括如下步骤:
(1)将可热固化聚碳硅烷和溶剂分别按照质量百分比10~30wt%和90~70wt%混匀配成溶液,将溶液加入喷雾造粒机中,进行喷雾造粒,得到可热固化聚碳硅烷 微球,微球粒径11~113um;
(2)将可热固化聚碳硅烷微球,在氩气气氛中,进行热处理完成交联固化, 再1160℃进行热解,得到碳化硅微球;
(3)配置5~20wt%的可热固化聚碳硅烷的溶液,以所制备的碳化硅微球粉 体铺设3DP打印机粉床上,加热并保持碳化硅微球温度为70~130℃,以3DP打 印机进行3D喷墨打印,得到碳化硅陶瓷预制体;
(4)将预制体放入热解炉中,氩气气氛中,1160℃进行热解,冷却到室温, 得到3D打印碳化硅陶瓷。
所述步骤(1)中,作为一种实现方式,具体过程如下:
将可热固化聚碳硅烷和溶剂分别按照质量百分比10~30wt%和90~70wt%混 匀配成溶液;
作为优选,可热固化聚碳硅烷和溶剂分别按照质量百分比15~25wt%和 85~75wt%混匀配成溶液。
将溶液加入喷雾造粒机中,入口温度:50~120℃;氩气流量:300~500L/h;进 料速率:3~10ml/min。进行喷雾得到可热固化聚碳硅烷微球,粒径11~113um;
作为优选,入口温度:70~110℃;氩气流量:330~500L/h;进料速率:4~9ml /min。进行喷雾造粒,得到可热固化聚碳硅烷微球,粒径15~80um。
作为优选,可热固化聚碳硅烷:由聚碳硅烷和乙烯基硅烷通过硅氢加成反应 制得,分子量1730~4000。
作为优选,所述的聚碳硅烷由聚二甲基硅烷高温裂解重排得到的,软化点 199~360℃,分子量1600~3800。
作为优选,所述的可热固化聚碳硅烷(PVCS)仅含有硅、碳、氢三种元素。
作为优选,所述的可热固化聚碳硅烷的制备方法参考(顾喜双,宋永才.可 热固化聚碳硅烷的合成及性能[J].有机硅材料,2015,29(6):462-468.):将聚碳硅 烷溶于二甲苯中与二甲基二乙烯基硅烷按质量比1∶1,置于高压釜中,加入铂催 化剂,抽真空置换高纯氩气,加压力至12.5MPa;再在高纯氩气保护下加热升温 至110℃反应30h;冷却,减压蒸馏,得产物PVCS。PVCS在氩气气氛中处理到 199~360℃,可实现完全交联固化,凝胶含量达到100%,
作为优选,交联固化后聚碳硅烷经过1100~1200℃向碳化硅陶瓷的热解过程 中,不发生发泡、流动等现象,只发生体积收缩现象,最终得到致密的碳化硅陶 瓷,陶瓷产率75~83%。
所述步骤(2)中,作为一种实现方式,具体过程如下:将可热固化聚碳硅 烷微球,在氩气气氛中,以室温为初始温度,以5℃/min~10℃/min升温到 199~360℃;保温10~30min,热解过程:初始为199~360℃,以2℃/min~8℃/min 升温到1160℃,保温10~20min,然后冷却至室温,得到碳化硅陶瓷微球。
作为优选,本发明中所述的氩气气氛的纯度均为99.999%。
作为优选,交联固化过程:以室温为初始温度,以6℃/min~9℃/min升温到 199~360℃;保温10~30min;热解过程:初始为199~360℃,以4℃/min~6℃/min 升温到1160℃,保温10~20min,然后冷却至室温,得到碳化硅陶瓷微球。
所述步骤(3)中,作为一种实现方式,具体过程如下:以所制备的可热固 化聚碳硅烷配成5~20wt%的溶液,以所制备的碳化硅微球粉体铺设在3DP打印 机粉床上,加热并保持碳化硅微球温度为70~130℃,3DP打印机喷头喷射出可 热固化聚碳硅烷的溶液至粉体上,随着溶剂的挥发,快速地形成预制体的一层, 成型缸下降20~200um,供粉缸上升20~200um,推出碳化硅微球,并被铺粉辊 铺平、压实,重复喷射可热固化聚碳硅烷的溶液,铺粉,送粉,如此不断进行, 最终得到三维碳化硅预制体。
所述步骤(4)中,作为一种实现方式,具体过程如下:将所制备的预制体, 在氩气气氛中,以室温为初始温度,以5℃/min~10℃/min升温到199~360℃;保 温10~30min;热解过程:初始为199~360℃,以2℃/min~8℃/min升温到1160℃, 保温20~40min,然后冷却至室温,到3D打印碳化硅陶瓷。
为了实现上述技术目的,将可热固化聚碳硅烷溶解后,加入到喷雾造粒机中, 进行喷雾干燥造粒,得到可热固化聚碳硅烷的微球,粒径分布10~100um,将微 球经过交联固化和热解,得到3D打印碳化硅陶瓷微球粉体。以可热固化聚碳硅 烷配置成5~20wt%的溶液,以所制备的碳化硅微球粉体铺设在3DP打印机粉床 上,加热并保持碳化硅微球温度为70~130℃,3DP打印机喷头喷射出可热固化 聚碳硅烷的溶液至粉体上,随着溶剂的挥发,快速地形成预制体的一层,成型缸 下降20~200um,供粉缸上升20~200um,推出碳化硅微球,并被铺粉辊铺平、 压实,重复喷射可热固化聚碳硅烷的溶液,铺粉,送粉,如此不断进行,最终得 到三维碳化硅预制体,再将预制体在氩气气氛中,进行1.5h,1160℃的热解,冷却后得到致密的碳化硅陶瓷。该制备原料单一,烧结温度低,所采用的陶瓷微球 粉体和墨水的热解陶瓷产物组成一致,产物纯度高,制备过程线收缩率不高于 5%,成品率高,制备的碳化硅陶瓷密度2.3~2.4g/cm3’。
本发明与现有技术相比的优点:
(1)本发明打印所用热固化聚碳硅烷、碳化硅微球和溶液的制备工艺简单。
(2)本发明在打印成型后,预制体具有了可热固化性能,经过简单的热固 化即可完成预制体形貌的定型。
(3)本发明预制体热解制备碳化硅陶瓷的过程中线收缩率不高于5%。
(4)本发明打印所用的碳化硅微球的前驱体和溶液的有效成分均为可热固 化聚碳硅烷,即粘结剂热解后同陶瓷粉体的元素组成和结构一直,陶瓷产物纯度 高。
(5)本发明利用热固化特聚碳硅烷的热固化性能,不引入光固化相关的添 加剂,即可完成碳化硅的3D打印制备。
附图说明
图1是本发明流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述,需要指出的是,以下所述实施 例旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作用。
实施例1:
一种以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷的制备过程如下:
步骤一:可热固化聚碳硅烷和二甲苯按照质量比15∶85的比例混匀配成溶液, 将溶液加入喷雾造粒机中,入口温度为110℃;氩气流量为500L/h,进料速率为 4ml/min。进行喷雾造粒,得到可热固化聚碳硅烷微球,粒径15~30um。
可热固化聚碳硅烷的制备方法:将聚碳硅烷(分子量1600,软化点199℃) 溶于二甲苯中与二甲基二乙烯基硅烷按质量比1∶1,置于高压釜中,加入铂催化 剂,抽真空置换高纯氩气,加压力至12.5MPa;再在高纯氩气保护下加热升温至 110℃反应30h;冷却,减压蒸馏,得可热固化聚碳硅烷。
经表征,可热固化聚碳硅烷的子量为1740,在氩气气氛中处理到199℃,凝 胶含量达到100%,交联固化后的聚碳硅烷在热解过程中,不发生发泡、流动等 现象,只发生体积收缩现象,陶瓷产率76%。
步骤二:将步骤一制备的微球放置于热解炉中,在氩气气氛中,以室温为初 始温度,以10℃/min升温到199℃,保温10min,再以8℃/min升温到1160℃保 温20min,冷却至室温,得到碳化硅陶瓷微球,粒径13~28um;
步骤三:以步骤一中所制备的可热固化聚碳硅烷和二甲苯配成10wt%的溶 液,以步骤二中所制备的碳化硅微球粉体铺设在3DP打印机粉床上,加热并保 持碳化硅微球温度为110℃,3DP打印机喷头喷射出可热固化聚碳硅烷的溶液至 粉体上,随着溶剂的挥发,快速地形成预制体的一层,成型缸下降40um,供粉 缸上升40um,推出碳化硅微球,并被铺粉辊铺平、压实,重复喷射可热固化聚 碳硅烷的溶液,铺粉,送粉,如此不断进行,最终得到三维碳化硅预制体。
步骤四:将步骤三所制备的预制体放热热解炉中,在氩气气氛中,以室温为 初始温度,以10℃/min升温到199℃,保温10min,再以199℃为初始温度,以 8℃/min升温到1160℃保温20min,冷却至室温,到3D打印碳化硅陶瓷,体积 密度为2.4g/cm3
实施例2:
一种以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷的制备过程如下:
步骤一:可热固化聚碳硅烷和二甲苯按照质量比20∶80的比例混匀配成溶液, 将溶液加入喷雾造粒机中,入口温度为115℃;氩气流量为450L/h,进料速率为 6ml/min。进行喷雾造粒,得到可热固化聚碳硅烷微球,粒径22~38um。
可热固化聚碳硅烷的制备方法:将聚碳硅烷(分子量2500,软化点246℃) 溶于二甲苯中与二甲基二乙烯基硅烷(市售)按质量比1∶1,置于高压釜中,加 入铂催化剂,抽真空置换高纯氩气,加压力至12.5MPa;再在高纯氩气保护下加 热升温至110℃反应30h;冷却,减压蒸馏,得可热固化聚碳硅烷。
经表征,可热固化聚碳硅烷的子量为2789,在氩气气氛中处理到246℃,凝 胶含量达到100%,交联固化后的聚碳硅烷在热解过程中,不发生发泡、流动等 现象,只发生体积收缩现象,陶瓷产率78%。
步骤二:将步骤一制备的微球放置于热解炉中,在氩气气氛中,以室温为初 始温度,以9℃/min升温到246℃,保温10min,再以8℃/min升温到1160℃保 温15min,冷却至室温,得到碳化硅陶瓷微球,粒径20~35um;
步骤三:以步骤一中所制备的可热固化聚碳硅烷和二甲苯配成20wt%的溶 液,以步骤二中所制备的碳化硅微球粉体铺设在3DP打印机粉床上,加热并保 持碳化硅微球温度为120℃,3DP打印机喷头喷射出可热固化聚碳硅烷的溶液至 粉体上,随着溶剂的挥发,快速地形成预制体的一层,成型缸下降60um,供粉 缸上升60um,推出碳化硅微球,并被铺粉辊铺平、压实,重复喷射可热固化聚 碳硅烷的溶液,铺粉,送粉,如此不断进行,最终得到三维碳化硅预制体。
步骤四:将步骤三所制备的预制体放热热解炉中,在氩气气氛中,以室温为 初始温度,以10℃/min升温到246℃,保温13min,再以8℃/min升温到1160℃ 保温30min,冷却至室温,到3D打印碳化硅陶瓷,体积密度为2.4g/cm3
实施例3:
一种以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷的制备过程如下:
步骤一:采用实施例二中所制备的可热固化聚碳硅烷,可热固化聚碳硅烷和 二甲苯按照质量比18∶82的比例混匀配成溶液,将溶液加入喷雾造粒机中,入口 温度:90℃;氩气流量:500L/h;进料速率:9ml/min。进行喷雾造粒,得到可热固 化聚碳硅烷微球,粒径53~78um。
步骤二:将步骤一制备的微球放置于热解炉中,在氩气气氛中,以室温为初 始温度,以9℃/min升温到246℃,保温10min,再以8℃/min升温到1160℃保 温15min,冷却至室温,得到碳化硅陶瓷微球,粒径49~75um;
步骤三:以步骤一中所制备的可热固化聚碳硅烷和二甲苯配成20wt%的溶 液,以步骤二中所制备的碳化硅微球粉体铺设在3DP打印机粉床上,加热并保 持碳化硅微球温度为120℃,3DP打印机喷头喷射出可热固化聚碳硅烷的溶液至 粉体上,随着溶剂的挥发,快速地形成预制体的一层,成型缸下降100um,供粉 缸上升100um,推出碳化硅微球,并被铺粉辊铺平、压实,重复喷射可热固化聚 碳硅烷的溶液,铺粉,送粉,如此不断进行,最终得到三维碳化硅预制体。
步骤四:将步骤三所制备的预制体放热热解炉中,在氩气气氛中,以室温为 初始温度,以10℃/min升温到246℃,保温13min,再以8℃/min升温到1160℃ 保温30min,冷却至室温,到3D打印碳化硅陶瓷,体积密度为2.4g/cm3
实施例4:
一种以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷的制备过程如下:
步骤一:采用实施例1中所制备的可热固化聚碳硅烷,可热固化聚碳硅烷和 二甲苯按照质量比16∶84的比例混匀配成溶液,将溶液加入喷雾造粒机中,入口 温度:100℃;氩气流量:480L/h;进料速率:7ml/min。进行喷雾造粒,得到可热 固化聚碳硅烷微球,粒径43~58um。
步骤二:将步骤一制备的微球放置于热解炉中,在氩气气氛中,以室温为初 始温度,以9℃/min升温到199℃,保温10min,再以8℃/min升温到1160℃保 温15min,冷却至室温,得到碳化硅陶瓷微球,粒径41~53um;
步骤三:以步骤一中所制备的可热固化聚碳硅烷和二甲苯配成20wt%的溶 液,以步骤二中所制备的碳化硅微球粉体铺设在3DP打印机粉床上,加热并保 持碳化硅微球温度为105℃,3DP打印机喷头喷射出可热固化聚碳硅烷的溶液至 粉体上,随着溶剂的挥发,快速地形成预制体的一层,成型缸下降186um,供粉 缸上升186um,推出碳化硅微球,并被铺粉辊铺平、压实,重复喷射可热固化聚 碳硅烷的溶液,铺粉,送粉,如此不断进行,最终得到三维碳化硅预制体。
步骤四:将步骤三所制备的预制体放热热解炉中,在氩气气氛中,以室温为 初始温度,以10℃/min升温到199℃,保温13min,再以8℃/min升温到1160℃ 保温30min,冷却至室温,到3D打印碳化硅陶瓷,体积密度为2.4g/cm3

Claims (8)

1.一种以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷,所述碳化硅陶瓷通过以下方法步骤进行:
(1)将可热固化聚碳硅烷和溶剂分别按照质量百分数10~30wt%和90~70wt%混匀配成溶液,将溶液加入喷雾造粒机中,进行喷雾造粒,得到可热固化聚碳硅烷微球,微球粒径11~113um;其中,可热固化聚碳硅烷由聚碳硅烷和乙烯基硅烷通过硅氢加成反应制得,分子量1730~4000;
(2)将可热固化聚碳硅烷微球,在氩气气氛中,进行热处理完成交联固化,再在1160℃温度下进行热解,得到碳化硅微球;
(3)配置5~20wt%的可热固化聚碳硅烷的溶液,以所制备的碳化硅微球粉体铺设在3DP打印机粉床上,加热并保持碳化硅微球温度为70~130℃,以3DP打印机进行3D喷墨打印,得到碳化硅陶瓷预制体;
(4)将预制体放入热解炉中,氩气气氛中,1160℃进行热解,冷却到室温,得到3D打印碳化硅陶瓷。
2.如权利要求1所述的以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷,其特征是:所述的聚碳硅烷由聚二甲基硅烷高温裂解重排得到的,软化点199~360℃,分子量1600~3800;所述的可热固化聚碳硅烷仅含有硅、碳、氢三种元素。
3.如权利要求1-2中任何一项所述的以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷,其特征是:步骤(1)中的溶剂为二甲苯、甲苯、环己烷中的一种或多种组合。
4.如权利要求1-2中任何一项所述的以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷,其特征是:所述步骤(1)中,具体过程如下:
将可热固化聚碳硅烷和溶剂分别按照质量百分数10~30wt%和90℃~70wt%配制成溶液;将溶液加入喷雾造粒机中,喷雾工艺条件为:入口温度:50~120℃;氩气流量:300~500L/h;进料速率:3~10ml/min;进行喷雾造粒,得到可热固化聚碳硅烷微球,粒径11~113um。
5.如权利要求1-2中任何一项所述的以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷,其特征是:所述步骤(2)中,具体过程如下:
在氩气气氛中,将可热固化聚碳硅烷微球以5℃/min~10℃/min升温到199~360℃,保温10~30min;再以2℃/min~8℃/min升温到1160℃,保温10~20min,然后冷却至室温,得到碳化硅陶瓷微球。
6.如权利要求1-2中任何一项所述的以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷,其特征是:所述步骤(3)中,具体过程如下:
氩气气氛下,将步骤(2)制备的陶瓷微球为陶瓷粉体,以5~20wt%的可热固化聚碳硅烷的溶液为粘结剂,以3DP打印机进行3D打印,得到碳化硅陶瓷预制体。
7.如权利要求6所述的以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷,其特征是:所述步骤(3)中,3DP打印机喷头喷射出可热固化聚碳硅烷的溶液至粉体上,随着溶剂的挥发,快速地形成预制体的一层,成型缸下降20~200um,供粉缸上升20~200um,推出碳化硅微球,并被铺粉辊铺平、压实,重复喷射可热固化聚碳硅烷的溶液,铺粉,送粉,如此不断进行,最终得到三维碳化硅预制体。
8.如权利要求1-2中任何一项所述的以可热固化聚碳硅烷3D打印制备碳化硅陶瓷,其特征是:所述步骤(4)中,具体过程如下:
氩气气氛下,将步骤(3)制备的预制体进行热解,以室温为初始温度,以5℃/min~10℃/min升温到199~360℃,保温10~30min;再以2℃/min~8℃/min升温到1160℃,保温20~40min,然后冷却至室温,到3D打印碳化硅陶瓷;制备出的碳化硅陶瓷线收缩率3~5%,体积密度为2.3~2.4g/cm3
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