氧化鋯陶瓷的九種精密成型工藝

氧化鋯陶瓷的九種精密成型工藝
成型過程在陶瓷材料的整個製備過程中起著連接作用，是確保陶瓷材料和零件性能可靠性和生產可重複性的關鍵。
隨著社會的發展，傳統陶瓷的手工揉捏法、輪製法、灌漿法等已無法滿足現代社會對生產和精細化的需求，因此，一種新的成型工藝應運而生。 ZrO2精細陶瓷材料廣泛應用於下列9種成型製程（2種乾法及7種濕法）：

1. 乾式成型

1.1 乾壓

乾壓成型是利用壓力將陶瓷粉末壓製成特定形狀的坯體。其本質是在外力作用下，模具內的粉末顆粒相互靠近，並透過內摩擦力緊密結合，從而保持一定的形狀。乾壓成型坯體的主要缺陷是剝落，這是由於粉末間的內摩擦以及粉末與模壁間的摩擦力造成的，導致坯體內部壓力損失。

乾壓成型的優點是生坯尺寸精確、操作簡單、易於實現機械化生產；生坯乾壓成型過程中水分和黏結劑含量較低，乾燥和燒成收縮率小。它主要用於成型形狀簡單、長寬比小的產品。模具磨損導致生產成本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的基礎上發展出來的一種特殊成型方法。它利用流體傳遞壓力，從各個方向均勻地對彈性模具內的粉末施加壓力。由於流體內部壓力的一致性，粉末在各個方向上承受的壓力相同，因此可以避免生坯密度不均的問題。

等靜壓成型分為濕袋等靜壓成型和乾袋等靜壓成型。濕袋等靜壓成型可以成型形狀複雜的產品，但只能間歇式操作。乾袋等靜壓成型可以實現自動連續操作，但只能成型方形、圓形、管狀截面等簡單形狀的產品。等靜壓成型可以獲得均勻緻密的生坯，燒成收縮率小，且各方向收縮均勻，但設備複雜昂貴，生產效率不高，僅適用於對成型要求有特殊要求的材料的生產。

2. 濕式成型

2.1 灌漿
灌漿成型製程與流延成型類似，差異在於灌漿成型製程包括物理脫水及化學絮凝兩個步驟。物理脫水利用多孔石膏模具的毛細作用去除漿料中的水分。表面CaSO4溶解產生的Ca2+提高了漿料的離子強度，導致漿料絮凝。
在物理脫水和化學凝固的作用下，陶瓷粉末顆粒沉積在石膏模壁上。灌漿法適用於製備形狀複雜的大型陶瓷零件，但生坯品質較差，包括形狀、密度、強度等，勞動強度高，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（60~100℃）下混合，製成熱壓鑄漿料。在壓縮空氣的作用下，將漿料注入金屬模具中並保持壓力。冷卻後，脫模得到蠟坯，在惰性粉末的保護下對蠟坯進行脫蠟處理，得到生坯，最後將生坯在高溫下燒結成瓷。

熱壓鑄成型的生坯尺寸精確，內部結構均勻，模具磨損小，生產效率高，適用於多種原料。但蠟漿和模具的溫度需要嚴格控制，否則容易造成射出不足或變形，因此不適用於大型零件的製造；此外，兩步驟燒結製程複雜，能耗較高。

2.3 膠帶成型
流延成型是將陶瓷粉末與大量的有機黏合劑、增塑劑、分散劑等充分混合，得到流動性好的黏稠漿料，將漿料加入流延機的料斗，用刮刀控制厚度，漿料經進料口流到傳送帶上，乾燥後得到薄膜坯料。

此製程適用於製備薄膜材料。為了獲得更好的柔韌性，需要添加大量的有機物，且製程參數必須嚴格控制，否則容易出現剝落、條紋、薄膜強度低或難以剝離等缺陷。所使用的有機物具有毒性，會造成環境污染，因此應盡量使用無毒或低毒性的體系，以減少環境污染。

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，由橡樹嶺國家實驗室的研究人員在 1990 年代初首次發明。其核心是使用有機單體溶液，這些溶液聚合形成高強度、側向連接的聚合物-溶劑凝膠。

將溶解於有機單體溶液中的陶瓷粉末漿料澆注到模具中，單體混合物聚合形成凝膠狀零件。由於側向連接的聚合物-溶劑混合物中聚合物的質量分數僅為10%～20%，因此很容易透過乾燥步驟從凝膠狀零件中去除溶劑。同時，由於聚合物之間的側向連接，聚合物在乾燥過程中不會隨溶劑遷移。

此方法可用於製造單相和複合陶瓷零件，能夠形成形狀複雜、尺寸接近最終形狀的陶瓷零件，其生坯強度高達20-30MPa甚至更高，可進行二次加工。此方法的主要問題是：胚坯在緻密化過程中收縮率較高，容易導致胚坯變形；某些有機單體具有氧阻聚作用，容易造成表面剝落；由於溫度誘導的有機單體聚合過程，溫度削薄會導致內部應力的存在，從而造成坯體斷裂等問題。

2.5 直接固化注塑成型
直接固化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、低黏度、高固含量的漿料，可以透過添加漿料 pH 值或增加電解質濃度的化學物質來改變漿料的性質，然後將漿料注入無孔模具中。

控製製程的化學反應進程。注塑成型前的反應緩慢進行，保持漿料黏度較低；注塑成型後反應加速，漿料固化，流動漿料轉化為固體坯體。所得生坯具有良好的機械性質，強度可達5kPa。將生坯脫模、乾燥、燒結，即可製成所需形狀的陶瓷零件。

其優點是無需或僅需少量有機添加劑（小於1%），生坯無需脫脂，生坯密度均勻，相對密度高（55%~70%），且可成型大尺寸、複雜形狀的陶瓷零件。其缺點是添加劑價格昂貴，反應過程中通常會釋放氣體。

2.6 注塑成型
射出成型技術長期以來廣泛應用於塑膠製品和金屬模具的成型。此製程採用熱塑性有機材料的低溫固化或熱固性有機材料的高溫固化。將粉末和有機載體在專用混合設備中混合，然後在高壓（數十至數百兆帕）下注入模具。由於成型壓力大，所得坯料尺寸精確、表面光滑、結構緻密；專用成型設備的使用大大提高了生產效率。

1970年代末80年代初，射出成型製程被應用於陶瓷零件的成型。該工藝透過添加大量有機物來實現無固相材料的塑化，是一種常見的陶瓷塑化工藝。在註塑成型技術中，除了使用熱塑性有機物（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黏結劑外，還需要添加一定量的增塑劑、潤滑劑和偶聯劑等製程助劑，以提高陶瓷注塑液的流動性，並保證注塑件的品質。

射出成型製程具有自動化程度高、坯體尺寸精確等優點。然而，注塑陶瓷件生坯中的有機物含量高達50vol%。在後續的燒結過程中，需要數天甚至數十天的時間才能去除這些有機物，容易導致品質缺陷。

2.7 膠體注射成型
為了解決添加大量有機物以及難以消除傳統注塑成型工藝中存在的困難等問題，清華大學創造性地提出了一種新的陶瓷膠體注塑成型工藝，並自主研製了膠體注塑成型樣機，實現了貧陶瓷漿料的注塑成型。

其基本想法是將膠體成型與射出成型結合，利用專有的射出成型設備和膠體原位固化成型製程提供的新型固化技術。此新製程使用的有機物含量低於4wt.%。在水基懸浮液中加入少量有機單體或有機化合物，注入模具後即可快速誘導有機單體聚合，形成均勻包覆陶瓷粉末的有機網狀骨架。因此，不僅大大縮短了脫膠時間，而且還顯著降低了脫膠開裂的可能性。

陶瓷注塑成型與膠體成型之間存在巨大差異。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，即漿料本身不具備塑性，是一種無塑性材料。由於膠體成型中的漿料不具備塑性，因此無法採用傳統的陶瓷射出成型概念。若將膠體成型與注塑成型結合，則可利用專用射出成型設備及膠體原位成型製程提供的新型固化技術，實現陶瓷材料的膠體射出成型。

新型陶瓷膠體注射成型製程不同於一般的膠體成型和傳統射出成型。其高度自動化的優勢在於實現了膠體成型工藝的質的飛躍，有望成為高科技陶瓷產業化的希望。