陶瓷胶态注射成型技术

陶瓷胶态注射成型技术

摘要：结合注射成型和凝胶注模成型技术的优点，发明了陶瓷胶态注射成型技术，实现了水基非塑性浆料的注射成型。经过研究表明：通过调节工艺中的各项参数和添加适当的助剂，可以实现陶瓷浆料的可控固化；加入应力缓释剂调节高分子网络结构，能有效降低坯体中的内应力，制备出大尺寸陶瓷部件；利用胶态注射成型技术与设备，不仅能实现规模化大批量生产，而且产品具有较高的可靠性，具有广阔的应用前景。

关键词：胶态注射成型；水基非塑性浆料；可控固化；内应力；应力缓释剂

Colloidal Injection Molding of Ceramics

Abstract：Colloidal injection molding of ceramics(CIMC) is a new ceramic forming technique，which combines the advantages of gel-casting and injection molding, to achieve a non-plastic water-based slurry injection．After the study show that；all kinds of lectors which effect solidification of slurry is studied and then we can control solidification course．Internal stress of green body is also studied and large-size ceramic component can be got by adding moderator．So high performance ceramics with complex shape is manufactured by CIMC technique with high reliability，high automation and low cost．

Key words：colloidal injection molding；injection molding；controllable solidification；stress；stress release agent

引言

随着技术的进步，高性能陶瓷以其优异的耐高温、高强度、耐磨损、耐腐蚀等性能和优点被广泛地应用于工业、国防、机械、石油、汽车、家用电器等各个领域的候选材料。

高性能陶瓷产业化关键在于提高产品性能可靠性和降低其制造成本，而陶瓷材料可靠性及其制造成本与制备工艺密切相关，围绕这两个关键问题，近二三十年来，新的陶瓷粉体制备工艺、成型工艺及烧结工艺的研究逐渐成为陶瓷材料研究领域的新热点。其中成型工艺作为制备高性能陶瓷材料及部件的关键技术，它不仅是材料设计和材料配方实现的前提，而且是降低陶瓷制造成本，提高材料可靠性尤为重要的环节，已逐渐成为陶瓷材料制备科学研究的主流。

1 高性能陶瓷产业化应用的困局

目前高性能陶瓷的应用面临的两大问题是陶瓷的制造成本高和使用性能的

可靠性差。由于陶瓷的制造成本高，从而导致产品的价格高，无法与金属及其复合材料竞争，因此目前只能用于一些特殊领域。

高技术陶瓷由于硬度高质脆，不像金属那样可以加工成各种各样的形状，其中陶瓷机加工的成本几乎占到陶瓷制造成本的1／3— 2／3，主要是因为陶瓷部件的成型很难达到近净尺寸成型。

原因在于传统的陶瓷注射成型技术来源于高分子材料的注塑成型，将大量的高分子粘结剂与陶瓷粉体混练在一起，然通过注射成型机制备各种复杂形状的陶瓷零部件。因此，采用传统陶瓷制备工艺和装备很难获得显微结构均匀、无缺陷和近净尺寸陶瓷部件。

另外，陶瓷材料的性能分散性大，即陶瓷材料的可靠性差，特别是结构陶瓷

又硬又脆既难加工又容易产生突发性的断裂，因而导致高技术陶瓷的制造成本高、性能离散性大、产品生产再现性和使用性能可靠性差等。

使许多领域不敢涉足陶瓷产品。如果上述两个问题不解决，高性能陶瓷的市场就很难打开局面。

2 陶瓷注射成型技术的发展

陶瓷注射成型技术来源于高分子材料的注塑成型，借助高分子聚合物在高温下熔融、低温下凝固的特性来进行成型的，成型之后再把高聚物脱除。比传统的陶瓷加工工艺要简单的多，能制造出各种复杂形状的高精度陶瓷零部件，且易于规模化和自动化生产。

起初的陶瓷成型注射技术是将大量的高分子树脂与陶瓷粉体混在一起后得到混合料，然后装入注射机于一定温度注入模具，迅速冷凝后脱模而制成坯体[1～3]。该技术适合制备湿坯强度大，尺寸精度高，机械加工量少，坯体均一的产品，适于大规模生产。对形状复杂、厚度较薄产品的制备有着明显的优越性。但是由于含有大量的高分子粘结剂，使陶瓷坯体的脱脂成为不可逾越难题，并且有毛坯易变形，容易形成气孔等缺点。

陶瓷注射成型使用的有机载体包括粘接剂、增塑剂、润滑剂等。有机载体的选择重点考虑：体系内的相容性；注射悬浮体的流变特性；脱模特性与生坯强度。通常有机载体与陶瓷粉体混合后的结合强度主要取决于热塑性树脂高聚物；脱脂特性亦可由耐热性好的高聚物调节；可塑剂和润滑剂可改善体系流动性及脱模性能；表面活性剂具有综合调节作用。

在熔体注射充模冷凝形成坯体的过程中，坯体内产生的应力有两种，即温度应力和成型应力。对异型、大尺寸坯体的注射参数和充模过程的研究表明，过高的注射压力和注射温度使坯体内产生较大的成型应力和温度应力，增大了坯体变形和开裂的危险性。

由于注射成型加入大量有机载体，烧结前必须将其排除，即进行脱脂。脱脂耗时较长，容易使坯体产生缺陷。因此，脱脂是注射成型工艺的关键。影响脱脂过程的因素主要有：气氛、压力和温度制度。惰性气氛可避免有机物的氧化分解。一定的气氛压力，可缩小有机物挥发及分解产生的有效体积，从而减少由于体积膨胀引起的坯体开裂。另外，脱脂速率也直接受温度影响。在坯体软化，内部尚未形成气孔通道的温度段l50～300℃，升温速率必须严格控制。否则，坯体易发生变形、产生鼓泡及开裂等缺陷[4]。

为了避开陶瓷注射成型技术使用大量高分子粘结剂的缺点，九十年代后陶瓷成型技术的研究逐渐转向含有少量有机物的水基胶态成型技术的研究，新的成型技术不断涌现，如美国橡树里国家实验室发明的凝胶注模成型工艺、瑞士联邦理工大学发明的直接凝固注模成型技术等等。总之，2l世纪在非塑性水基浆料的胶态成型方面取得了很大进展。

3 陶瓷胶态注射成型技术新工艺

陶瓷胶态注射成型新工艺是把胶态成型和注射成型结合起来的“陶瓷胶态注射成型新工艺”，即水基非塑性浆料的注射成型。它是将低粘度、高固相体积分数的水基陶瓷浓悬浮体注射到非孔模具中，并使之原位快速固化，再经烧结，制得显微结构均匀、无缺陷和近净尺寸的高性能、高可靠性的陶瓷部件。该系由美国Allied Signal公司的研究人员发明，然后又经过一些研究中心的改进，得