陶瓷成型技术

陶瓷成型技术

摘要: 成型技术是制备陶瓷材料的一个重要环节。陶瓷制造经历数千年历史,直到20世纪中叶因为烧结理论的创立获得了飞速发展。上世纪七八十年代关于超细粉体制备和表征的发展,促使陶瓷工艺第二次大发展。当前阻碍陶瓷材料进一步发展的关键之一是成型工艺技术没有突破.压力成型不能满足形状复杂性和密度均匀性的要求。本文评述了国内外陶瓷现代成型技术，讨论了上述成型方法的基本原理和特点。

关键词：陶瓷, 成型, 技术，进展

一引言

成型工艺是陶瓷材料制备过程的重要环节之一,在很大程度上影响着材料的微观组织结构,决定了产品的性能、应用和价格[1]。过去,陶瓷材料学家比较重视烧结工艺,而成型工艺一直是个薄弱环节,不被人们所重视。现在,人们已经逐渐认识到在陶瓷材料的制备工艺过程中,除了烧结过程之外,成型过程也是一个重要环节。在成型过程中形成的某些缺陷(如不均匀性等)仅靠烧结工艺的改进是难以克服的，成型工艺已经成为制备高性能陶瓷材料部件的关键技术,它对提高陶瓷材料的均匀性、重复性和成品率,降低陶瓷制造成本具有十分重要的意义。本文简单回顾了陶瓷成型方法的发展及技术特点。

二成型方法

1 胶态浇注成型[2]

胶态浇注成型是将具有流动性的浆料制成可自我支撑形状的一种成型方法。该法利用浆料的流动性,使物料干燥并固化后得到一定形状的成型体。主要包括以下几种方法:

①注浆成型(Slip Casting)

是将浆料注入具有渗透性的多孔模具(如石膏)中,模具内部的形状即为所需要的素坯形状,利用多孔模具的毛细管力而使液体排除,从而固化。注浆成型的模具要具有一定的强度,吸水性好,吸水速度适中。注浆成型工艺成本低,过程简单,易于操作和控制,但成型形状粗糙,注浆时间较长,坯体密度、强度也不高。80年代中期,人们在传统注浆成型的基础上,相继发展产生了新的压滤成型(Pressure Filtration)和离心注浆成型(Centrifugal Casting),借助于外加压力和离心力的作用,来提高素坯的密度和强度,而且几乎不需要使用有机添加剂,因而避免了注射成型中复杂的脱脂过程,但由于坯体均匀性差,因而不能满足制备高性能高可靠性陶瓷材料的要求

②流延成型(Tape Casting)〔1-2〕

也称带式浇注,或刀片法(Doctor-blade)。它是将粉料与塑化剂混合得到可流动的粘稠浆料,然后将浆料均匀地流到或涂到转动着的基带上,或用刀片均匀地刷到支撑面上,形成浆膜,干燥后得到一层薄膜,带膜厚度一般为0.01-1mm。60年代中期,由Wentworth等首次将流延法用于铁电材料的浇注成型。此外,它还被广泛用于多层陶瓷、电子电路基板、压电陶瓷等器件的生产中。

随着工业上对更大尺寸、更复杂形状陶瓷零部件需求的不断提高,用注射成型等传统的成型技术来制造已难以实现。它们都受到来自部件壁厚和复杂程度等方面的严重限制。围绕提高陶瓷材料的均匀性和可靠性问题,人们在传统成型工艺的基础上进行了不断深入的研究,并在90年代初期出现了一系列令人耳目一新的原位凝固成型工艺,其中最具代表性也是目前研究最活跃的两种成型方法是注凝成型和直接凝固注模成型,此外还有胶态振动注模成型、温度诱导絮凝成型等,原位凝固成型工艺受到了普遍的重视。

③注凝成型(Gel Casting)

本世纪80年代后期,由于昂贵的生产成本而使陶瓷材料领域陷入窘境。在这种情况下,美国橡树岭国家重点实验室(Oak Ridge National Laboratory)开展了陶瓷成型方法的研究,并于90年代初发明了一种新颖的陶瓷成型技术—注凝成型。注凝成型是在悬浮介质中加入乙烯基有机单体,然后利用催化剂和引发剂通过自由基反应使有机单体进行交联,坯体实现原位固化。其显著优点是浆料固体含量高(一般不低于50vol.%),坯体强度高,便于机械加工,而机械加工对于难加工的陶瓷材料来说往往具有十分重要的意义,因此该成型方法一经产生便受到人们的青睐。在美国和日本该工艺的研究已被列入陶瓷新材料的发展和研究计划。但其致命缺点是干燥条件苛刻,即使在室温和高湿度条件下长时间干燥,坯体仍易于开裂,而且工艺的自动化程度也不高。目前,注凝成型技术在以橡树岭为代表的众多研究机构的广泛深入的研究下,已取得了丰硕的成果。国内清华大学、北京航空航天大学、北京建材院和上硅所等单位也已开展了这方面的研究,并取得了很大进展。

④直接凝固注模成型(Direct Coagulation Casting-DCC)

在注凝成型工艺产生两年以后,瑞士苏黎世联邦技术学院Gauckler教授的研究小组将生物酶技术、胶态化学与陶瓷工艺学相结合发明了一种全新概念的净尺寸原位陶瓷成型技术—直接凝固注模成型(简称DCC)。该成型方法不需或只需少量的有机添加剂(小于1wt.%),坯体不需脱脂,坯体密度均匀,相对密度较高,而且可成型大尺寸复杂形状的陶瓷部件,但其坯体强度往往不够高。目前,Gauckler等人已将DCC方法用于氧化铝陶瓷的成型并得到了性能优异的制品,在国内清华大学和上硅所也于近年来先后开始从事氮化硅、碳化硅等陶瓷材料的DCC成型研究,虽然都取得了一些成果,但总的来看,研究还不够深入,认识还不够全面,尤其在产品工业化方面还有很大的差距。

⑤胶态振动注模成型(Colloidal Vibration Casting)

胶态振动注模成型是1993年由California大学Santa Barbara分校nge教授发明的一种胶态成型技术。它是将制备好的含有高离子强度的稀悬浮体(20-30vol.%)通过压滤或离心获得高固相含量的坯料,然后在振动作用下进行浇注,而后实现原位固化。该成型方法可实现连续化生产,并且可成型复杂形状的瓷部件,但素坯强度较低,脱模时坯体易于开裂和变形。

⑥温度诱导絮凝成型(Temperature Induced Flocculation)

温度诱导絮凝成型是由瑞典表面化学研究所的L.Bergstrom教授发明的一种净尺寸胶态成型技术。它是利用胶体的空间位阻稳定进行成型的。首先选择一种特殊的在有机溶剂中的溶解度随温度变化的分散剂,加入浓悬浮体中,其一端吸附在颗粒表面,另一端伸展入溶剂中,起到空间稳定粉料的作用。然后将分散好的高固含量浆料注模后,随着温度的降低,分散剂在溶剂中的溶解度下降,逐渐失去分散能力,从而实现浆料的原位固化。该成型方法的最大优点是废料可回收重复使用,但这种分散剂对于不同的陶瓷体系有很大的局限性。

2 流延成型

流延成型是制备层状陶瓷薄膜的一种成型方法。这种成型方法可以制作厚度小于0.05mm 的薄膜，能制备电容器、热敏电阻、铁氧体和压电陶瓷坯体，特别有利于生产混合集成电路基片等制品。流延成型的工作原理是：将细分散的陶瓷粉料悬浮在由溶剂、增塑剂、粘接剂和悬浮剂组成的无水溶液中，成为可塑且能流动的料浆。当料浆在刮刀下流过时，便在流延机的运输带上形成薄层的坯带，坯带缓慢向前移动，等到溶剂逐渐挥发后，粉料固体微粒便聚集在一起，形成较为致密的、似皮革柔韧的坯带，再冲压出一定形状的坯体。薄膜的厚薄与刮刀至基面的间距、基带运动速度、浆料粘度及加料漏斗内浆面的高度有关。

3 离心沉积成型[1]

离心沉积成型,是一种制备板状、层状纳米多层复合材料的方法。其原理是不同的浆料依次在离心力的作用下一层层地均匀沉积成一个整体也可利用颗粒大小或质量的不同沉积出各层不同性质的材料。采用离心沉积成型层状材料具有以下特点通过沉积不同的材料,可以