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鄒小姐：13326633089 -
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先進(jìn)陶瓷如釔鋁石榴石(YAG)、氧化鋯(ZrO2)、碳化硅(SiC)等，因其獨特的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)及生物化學(xué)性能被廣泛應(yīng)用在激光、5G 通信、航天、新能源、生物醫(yī)學(xué)等眾多戰(zhàn)略領(lǐng)域，而在陶瓷的制備過程中，陶瓷成型技術(shù)決定了其初始密度、收縮形變、內(nèi)部缺陷及其應(yīng)用性能。隨著近年迅速發(fā)展的新能源電池、電子通訊、生物醫(yī)療等眾多領(lǐng)域?qū)芙Y(jié)構(gòu)、極限尺寸的陶瓷零部件需求迫切，傳統(tǒng)的陶瓷成型技術(shù)無論在成型質(zhì)量，還是在成型精密度等方面都不能滿足陶瓷在高端應(yīng)用領(lǐng)域的要求，因此成型技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展也是勢在必行。
各類高精密陶瓷
隨著環(huán)境保護(hù)、清潔生產(chǎn)成為發(fā)展趨勢，水系膠態(tài)成型技術(shù)成為近年來發(fā)展較快的成型手段之一。水系膠態(tài)成型是以水為溶劑，采用物理、化學(xué)或物理化學(xué)方法使具有一定流動性的懸浮體料漿固化為結(jié)構(gòu)均勻坯體的方法。
該技術(shù)的主要優(yōu)點有：
（1）水作為溶劑：相較于有機(jī)溶劑，無毒、無污染、低成本，符合環(huán)保要求；
（2）凈近成型各種高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零部件：燒結(jié)后陶瓷收縮率小，幾乎無需后續(xù)加工，可以提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低成本；
（3）工藝簡單、實用性強(qiáng)：該技術(shù)易重復(fù)、自動化與連續(xù)化程度高，易于產(chǎn)業(yè)化。
水系膠態(tài)成型技術(shù)的類型
目前，典型的水系膠態(tài)成型方法主要包括凝膠注模成型(Gel-casting)、水系流延成型(Aqueous Tape casting)、凝膠流延成型(Gel-tape casting)等，不同成型方式在不同應(yīng)用領(lǐng)域得到關(guān)注，目前在生物醫(yī)療、電子通訊、汽車以及生活生產(chǎn)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。
以成型原理看，凝膠注模成型技術(shù)與凝膠流延成型技術(shù)是粉體分散在含交聯(lián)劑與有機(jī)單體的水溶液中原位固化成型，而水系流延成型技術(shù)是粘結(jié)劑包裹粉體通過長鏈纏繞形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
以成型方式看，凝膠流延成型是將流延成型方法與單體固化反應(yīng)相結(jié)合的成型方法，其與普通流延成型均屬于復(fù)合疊層法；而凝膠注模成型技術(shù)屬于直接成型法。
1. 凝膠注模成型
凝膠注模是指將陶瓷粉體分散于含有有機(jī)單體、分散劑、引發(fā)劑及催化劑的水溶液，注入模具，在一定溫度下單體發(fā)生原位聚合反應(yīng)，形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度素坯的成型方式。
凝膠注模成型原理圖
相比于其他成型技術(shù)，凝膠注模是一種普適工藝，適用于AlON、SiC、AlN、YAG 等各種功能與結(jié)構(gòu)陶瓷，能夠近凈尺寸成型各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零件以及具有極限尺寸的棒狀或片狀陶瓷等。
凝膠注模成型的特點是成型后坯體質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)均勻、不易出現(xiàn)密度階梯分布等問題，且有機(jī)物含量低，其干燥、排膠過程也相對容易，燒結(jié)后的部件純凈度高；其最突出的優(yōu)點是成型后的坯體強(qiáng)度較高，素坯能被直接進(jìn)行機(jī)械加工，進(jìn)一步實現(xiàn)陶瓷零件的凈尺寸精密成型，這是其他成型技術(shù)難以實現(xiàn)的。此外，對模具要求不高，玻璃、塑料、金屬和蠟等均可作為模具。
凝膠注模成型工藝流程
目前在工業(yè)生產(chǎn)中，主要采用丙烯酰胺(AM)作為凝膠體系。雖然AM體系工藝較為成熟，且制得的陶瓷質(zhì)量及性能較為優(yōu)異，但AM有機(jī)單體具有一定毒性，因此目前研究人員致力于研究低毒或無毒凝膠體系，目前還未有成熟的配方體系用在工業(yè)生產(chǎn)。與此同時，凝膠注模在成型各類復(fù)雜形狀的陶瓷方面占有優(yōu)勢，然而，在制備超薄片狀陶瓷方面稍顯不足，需要后期打磨拋光。
2.水系流延成型
水系流延成型技術(shù)是將粉體分散于含有分散劑的水溶液中，通過粘結(jié)劑分子的長鏈纏繞作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)粘結(jié)成型，最終得到具有一定強(qiáng)度及韌性的素坯。
流延成型工藝流程
水系流延成型通過控制刮刀高度可以制備出厚度可控的薄膜素坯，在制備超薄大尺寸陶瓷制品方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，其無毒性、不易燃、價格低廉，成為流延成型技術(shù)未來發(fā)展趨勢。目前，水系流延成型技術(shù)已被應(yīng)用于多層復(fù)合透明陶瓷、固體氧化物燃料電池電解質(zhì)、電容器基板及其他高技術(shù)陶瓷的生產(chǎn)過程中。
流延陶瓷基板
然而，水的極性較大，粉體之間需要大量的粘結(jié)劑作用形成長鏈分子纏繞網(wǎng)絡(luò)才能粘結(jié)成型，通常其有機(jī)物含量相較于凝膠注模增長10%以上，且該方法受限于分散劑和粘結(jié)劑選擇種類較少，面臨水溶劑表面張力大、對粉料的浸潤性差（易再次絮凝）、產(chǎn)生難除氣泡、揮發(fā)速率慢及其不一致收縮導(dǎo)致干燥開裂等問題；同時，有機(jī)物添加量的增多還會導(dǎo)致坯體易起皮、開裂，排膠后坯體致密度大幅度下降。
3.凝膠流延成型
針對水系流延成型存在的問題，研究者提出了將有機(jī)單體的聚合原理引入到流延技術(shù)中，發(fā)明了凝膠流延成型技術(shù)，該方法結(jié)合了水系和有機(jī)流延的特點，在一定溫度和保護(hù)氣氛下在極短時間內(nèi)固化，極大地降低了漿料量中有機(jī)物的使用量，可提高了素坯密度，進(jìn)而獲得近乎無干燥收縮、高質(zhì)量（表面平整光滑、強(qiáng)度高、韌性好）的陶瓷薄片素坯。
凝膠流延成型工藝流程
水系凝膠流延技術(shù)制得的陶瓷薄片致密度高，氣孔率低，成型尺寸大，而且光電性能較好，非常適用于固體電解質(zhì)薄膜及高強(qiáng)度高密度的陶瓷基板材料的成型。目前已采用此成型技術(shù)成功制備出Al2O3、Si3N4、PTZ、YSZ等薄片陶瓷。與水系流延成型技術(shù)相比，該方法得到的陶瓷制品在性能及微結(jié)構(gòu)方面均有了較高的提升。
水系膠態(tài)成型技術(shù)的不足
水系膠態(tài)成型技術(shù)與傳統(tǒng)的有機(jī)濕法成型技術(shù)相比，其不僅能夠制備出各種近凈尺寸的復(fù)雜形狀、極限尺寸、復(fù)合結(jié)構(gòu)的陶瓷制品，且對于成型的陶瓷種類基本沒有限制，發(fā)展前景廣闊。
然而目前仍存在一些關(guān)鍵技術(shù)難題尚未得到解決，主要有以下幾點：
（1）需要低粘度、高固含量且分散性良好的陶瓷漿料
在膠態(tài)成型中，漿料的流變性能直接決定坯體成型質(zhì)量，均一穩(wěn)定且具有低粘度的假塑性流體是獲得高質(zhì)量坯體的關(guān)鍵，高固含量則決定著陶瓷制品的密度，但是固含量的增加會顯著提高漿料粘度。
（2）適當(dāng)添加劑的選擇
粘結(jié)劑與增塑劑的種類及其相對添加量會對素坯成型質(zhì)量造成顯著影響，但大多數(shù)有機(jī)添加劑微溶或難溶于水，且大量有機(jī)添加劑的使用會導(dǎo)致素坯在排膠過程中產(chǎn)生開裂等缺陷；因此，在保持坯體一定強(qiáng)度和初始密度的前提下，選擇合適的水溶性添加劑并減少其使用量仍需不斷研究。
（3）干燥過程中的缺陷控制
素坯干燥是高技術(shù)陶瓷水系膠態(tài)成型工藝中最難以控制的工序，由于水是極性分子，干燥周期較長，干燥速度難以控制，易出現(xiàn)坯體開裂、卷曲以及粉體顆粒與水分分離導(dǎo)致的脫皮等狀況。
水系膠態(tài)成型技術(shù)在新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
1.多層復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷
多層復(fù)合陶瓷包括陶瓷-陶瓷復(fù)合、陶瓷-金屬復(fù)合、陶瓷-聚脂薄片復(fù)合、金屬-陶瓷-金屬復(fù)合等類型，這些復(fù)合材料均屬于宏觀上的層狀復(fù)合材料，即層與層之間存在明顯界面且各層之間發(fā)生物理性能突變的層狀復(fù)合材料。
采用膠態(tài)成型技術(shù)，特別是流延成型技術(shù)相較于采用干壓法制備的陶瓷層間結(jié)構(gòu)粘合性更好，再結(jié)合冷等靜壓技術(shù)，層與層之間幾乎無明顯界面，在多層復(fù)合陶瓷領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，例如光功能陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域。
多層復(fù)合金屬化陶瓷
2.燃料電池
燃料電池的電解質(zhì)支撐層通常由超薄層狀陶瓷組成，電解質(zhì)支撐層作為氧化劑與還原劑的隔板，用來傳導(dǎo)離子，因此越薄越好，且應(yīng)兼顧強(qiáng)度。傳統(tǒng)的干壓成型技術(shù)制備的陶瓷厚度較大，須經(jīng)后期的打磨加工才能制備出超薄尺寸，生產(chǎn)效率低，且過度打磨會導(dǎo)致陶瓷薄片強(qiáng)度降低。相比之下，采用膠態(tài)成型制備技術(shù)能夠避免后續(xù)打磨工序直接制備出超薄電解質(zhì)層，使燃料電池的性能得到提高。
燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖
3.人造牙齒、骨關(guān)節(jié)等生物陶瓷
生物陶瓷以其較高的生物相容性，常被用在牙科、骨科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，然而牙齒、骨骼形狀復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的陶瓷成型方法需后期再加工，制備工藝繁瑣，且難以滿足目前日益發(fā)展的陶瓷牙齒、骨骼醫(yī)學(xué)需求標(biāo)準(zhǔn)。采用凝膠注模成型基于有機(jī)單體聚合原位固化原理，相比于其他工作原理成型的陶瓷機(jī)械強(qiáng)度更高、彈性模量小、韌性較好，更適用于生物陶瓷坯體成型。
與此同時，在生物陶瓷應(yīng)用上，水系膠態(tài)成型技術(shù)還可以與3D打印完美結(jié)合，獲表面光滑、外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)、復(fù)雜性能優(yōu)異的生物陶瓷部件，在人造牙齒、骨骼、骨支架等生物替代陶瓷領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力，發(fā)展前景十分可觀。
陶瓷牙齒
總結(jié)
水系膠態(tài)成型技術(shù)具有清潔環(huán)保、可復(fù)雜精密成型等顯著優(yōu)勢，開展系統(tǒng)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有十分重要的意義，但目前在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上仍有一些技術(shù)瓶頸尚未被徹底攻克，例如，陶瓷成型模具及設(shè)備的精密化和自動化水平需要進(jìn)一步完善；水系膠態(tài)成型技術(shù)在制備多維度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷中仍存在不足。隨著國家和研究人員投入的加大，我國的陶瓷水系成型技術(shù)中必將取得重大突破，采用該技術(shù)制備的高技術(shù)陶瓷必將在軍事武器、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
參考來源：
1. 高技術(shù)陶瓷膠態(tài)成型技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，郗曉倩、張樂、姚慶、袁明星、劉明源、邵岑、陳浩（江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院、江蘇省先進(jìn)激光材料與器件重點實驗室、江蘇錫沂高新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院、南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）；
2. 陶瓷粉體新型膠態(tài)成型方法，趙九蓬、韓杰才、杜善義（功能材料）；
3. 先進(jìn)陶瓷膠態(tài)成型新工藝的研究進(jìn)展，黃勇、張立明、楊金龍、謝志鵬、汪長安、陳瑞峰（硅酸鹽學(xué)報）。
粉體圈 小吉
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