氧化鋯陶瓷的九大精密成型工藝

氧化鋯陶瓷的九大精密成型工藝
成型工藝在陶瓷材料整個製備過程中起著承上啟下的作用，是確保陶瓷材料及構件性能可靠性和生產重複性的關鍵。
隨著社會的發展，傳統陶瓷的手工揉捏法、輪成型法、注漿法等已無法滿足現代社會對生產精細化的需求，於是誕生了新的成型過程。 ZrO2細陶瓷材料廣泛應用於下列9種成型製程（乾法2種，濕式7種）：

1.乾法成型

1.1 乾壓

乾壓成型是利用壓力將陶瓷粉末壓成一定形狀的坯體。其本質是在外力作用下，粉末顆粒在模具中相互靠近，並透過內摩擦牢固地結合在一起，從而保持一定的形狀。乾壓成型坯體的主要缺陷是層裂，這是由於粉末之間的內摩擦以及粉末與模具壁之間的摩擦，導致坯體內部壓力損失而產生的。

乾壓成型的優點是坯體尺寸準確，操作簡單，便於實現機械化操作；坯體乾壓成型中水分和黏結劑含量較少，乾燥和燒成收縮較小。主要用於成型形狀簡單、長寬比較小的製品。模具磨損造成生產成本的增加是乾壓成型的缺點。

1.2 等靜壓

等靜壓成型是在傳統乾壓成型基礎上發展出來的一種特殊成型方法，它利用流體傳動壓力，從各個方向對彈性模具內的粉末均勻施加壓力。由於流體內部壓力的一致性，使粉末在各個方向上承受的壓力相同，從而可以避免坯體密度的差異。

等靜壓分為濕袋等靜壓、乾袋等靜壓。濕袋等靜壓可成型形狀複雜的製品，但只能間歇工作。乾袋等靜壓可實現自動化連續操作，但只能成型方形、圓形、管狀截面等形狀簡單的製品。等靜壓可獲得均勻緻密的坯體，燒成收縮小，各方向收縮均勻，但設備複雜、價格昂貴，生產效率不高，只適合有特殊要求的材料生產。

2.濕式成型

2.1 注漿
注漿成型製程與流延成型類似，不同之處在於成型製程包括物理脫水製程和化學凝聚過程。物理脫水透過多孔石膏模具的毛細作用除去漿體中的水分；表面CaSO4溶解產生的Ca2+使漿體離子強度增加，導致漿體絮凝。
在物理脫水和化學凝固作用下，陶瓷粉體顆粒沉積在石膏模壁上。注漿成型適合製備大型、形狀複雜的陶瓷件，但坯體品質較差，包括形狀、緻密度、強度等，工人勞動強度大，不適合自動化操作。

2.2 熱壓鑄
熱壓鑄是將陶瓷粉末與黏結劑（石蠟）在較高溫度下（60~100℃）混合，得到用於熱壓鑄的漿料，在壓縮空氣作用下將漿料注入金屬模具內，保壓，冷卻、脫模得到蠟坯，蠟坯在惰性粉末的保護下脫蠟得到坯體，坯體經高溫燒結即成為瓷器。

熱壓鑄成型的坯體尺寸精確，內部組織均勻，模具磨損少，生產效率高，且適用原料種類繁多。熱壓鑄成型需嚴格控製蠟漿和模具的溫度，否則會造成欠壓或變形，不適合製造大型零件，且兩步燒成製程複雜，能耗較高。

2.3 流延成型
流延成型是將陶瓷粉體與大量有機黏結劑、增塑劑、分散劑等充分混合，得到可流動的黏稠漿體，將漿體加入流延機的料斗中，用刮刀控制厚度，經加料嘴流出至傳送帶上，經乾燥後得到膜坯。

此製程適用於薄膜材料的製備。為了獲得更好的柔韌性，需要添加大量的有機物，並且要求嚴格控制製程參數，否則易造成起皮、條紋、薄膜強度低或難以剝離等缺陷。所使用的有機物有毒，會造成環境污染，應盡量採用無毒或低毒體系，減少環境污染。

2.4 凝膠注射成型
凝膠注射成型技術是一種新型膠體快速成型工藝，由美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員於1990年代初發明，其核心是利用有機單體溶液聚合成高強度、側鏈連接的聚合物-溶劑凝膠。

將陶瓷粉末溶於有機單體溶液中，製成漿料，在模具中澆鑄成型，單體混合物聚合，形成凝膠狀部件。由於側鏈連接的聚合物-溶劑混合物中聚合物質量分數僅為10%~20%，因此很容易透過乾燥步驟去除凝膠零件中的溶劑。同時，由於聚合物側鏈連接，聚合物在乾燥過程中不會隨溶劑遷移。

本方法可製造單相及複合陶瓷零件，可形成形狀複雜、準淨尺寸的陶瓷零件，其生坯強度高達20-30Mpa以上，可進行二次加工。此方法的主要問題是：在緻密化過程中，胚體收縮率較大，容易導致胚體變形；某些有機單體存在氧抑製作用，造成表面起皮、脫落；由於溫度誘導有機單體聚合過程，引起溫度下降導致內應力的存在，造成毛坯破裂等。

2.5 直接凝固注射成型
直接凝固注射成型是由蘇黎世聯邦理工學院開發的一種成型技術：將溶劑水、陶瓷粉末和有機添加劑充分混合，形成靜電穩定、低粘度、高固含量的漿體，通過添加可改變漿體pH值或增加電解質濃度的化學物質，然後將漿體注入無孔模具中。

製程過程中控制化學反應的進程。射出成型前的反應緩慢進行，漿料保持較低的黏度，注塑成型後反應加速，漿料凝固，由流體漿料轉變為固態實體。所得坯體具有良好的機械性質，強度可達5kPa。坯體脫模、乾燥、燒結後，即可形成所需形狀的陶瓷零件。

其優點是不需要或只需少量有機添加劑（少於1%），坯體無需脫脂，坯體緻密度均勻，相對緻密度較高（55%~70%），可成型大尺寸、形狀複雜的陶瓷零件；缺點是添加劑價格昂貴，反應過程中一般有氣體釋放。

2.6 注塑成型
注射成型早已應用於塑膠製品的成型和金屬模具的成型。此製程採用熱塑性有機物的低溫固化或熱固性有機物的高溫固化。將粉末和有機載體在專用混合設備中混合，然後在高壓（幾十到幾百MPa）下注射到模具中。由於成型壓力大，所得毛坯尺寸精確、光潔度高、結構緻密；使用專用成型設備大大提高了生產效率。

1970年代末80年代初，射出成型製程開始應用於陶瓷零件的成型。該工藝透過添加大量有機物實現了貧料的塑性成型，是一種常見的陶瓷塑性成型工藝。在註射成型技術中，除採用熱塑性有機物（如聚乙烯、聚苯乙烯）、熱固性有機物（如環氧樹脂、酚醛樹脂）或水溶性聚合物作為主要結合劑外，還需添加一定量的增塑劑、潤滑劑、偶聯劑等製程助劑，以改善陶瓷注射懸浮液的流動性，確保注射成型體的品質。

注射成型製程具有自動化程度高、成型毛坯尺寸精確等優點，但注射成型陶瓷零件坯體中的有機物含量高達50vol%，在後續的燒結過程中需要較長時間，甚至幾天到幾十天才能消除這些有機物，容易造成品質缺陷。

2.7 膠體注射成型
為解決傳統注射成型過程中有機物添加量大、排除困難等問題，清華大學創造性地提出了陶瓷膠體注射成型新工藝，並自主研製了膠體注射成型樣機，實現了貧瘠陶瓷漿料的注射成型。

其基本想法是將膠體成型與注射成型相結合，利用專有的注射設備和膠體原位凝固成型製程提供的新型固化技術。這種新製程使用低於4wt.%的有機物。利用水基懸浮液中少量的有機單體或有機化合物，在註入模具後迅速誘導有機單體聚合，形成有機網狀骨架，均勻地包覆陶瓷粉末。不僅脫膠時間大大縮短，脫膠開裂的可能性也大大降低。

陶瓷注射成型與膠體成型有著巨大的差異。主要差異在於前者屬於塑性成型範疇，而後者屬於漿料成型，即漿料不具有可塑性，是一種貧瘠的材料。由於膠體成型中漿料不具可塑性，因此不能採用傳統的陶瓷注射成型思路。如果將膠體成型與射出成型結合，利用膠體原位成型製程提供的專有註射設備和新型固化技術，實現陶瓷材料的膠體注射成型。

陶瓷膠體注射成型新製程不同於一般膠體成型和傳統射出成型，其成型自動化程度高的優勢是膠體成型製程質的昇華，將成為高技術陶瓷產業化的希望。