氧化锆陶瓷的九大精密成型工艺

氧化锆陶瓷的九大精密成型工艺
成型工艺在陶瓷材料整个制备过程中起着承上启下的作用，是保证陶瓷材料及构件性能可靠性和生产重复性的关键。
随着社会的发展，传统陶瓷的手工揉捏法、轮成型法、注浆法等已不能满足现代社会对生产精细化的需求，于是诞生了新的成型工艺。ZrO2精细陶瓷材料广泛应用于以下9种成型工艺（干法2种，湿法7种）：

1.干法成型

1.1 干压

干压成型是利用压力将陶瓷粉末压制成一定形状的坯体。其本质是在外力作用下，粉末颗粒在模具中相互靠近，并通过内摩擦牢固地结合在一起，从而保持一定的形状。干压成型坯体的主要缺陷是层裂，这是由于粉末之间的内摩擦以及粉末与模具壁之间的摩擦，导致坯体内部压力损失而产生的。

干压成型的优点是坯体尺寸准确，操作简单，便于实现机械化操作；坯体干压成型中水分和粘结剂含量较少，干燥和烧成收缩较小。主要用于成型形状简单、长宽比较小的制品。模具磨损造成生产成本的增加是干压成型的缺点。

1.2 等静压

等静压成型是在传统干压成型基础上发展起来的一种特殊成型方法，它利用流体传动压力，从各个方向对弹性模具内的粉末均匀施加压力。由于流体内部压力的一致性，使粉末在各个方向上承受的压力相同，从而可以避免坯体密度的差异。

等静压分为湿袋等静压和干袋等静压。湿袋等静压可成型形状复杂的制品，但只能间歇工作。干袋等静压可实现自动化连续操作，但只能成型方形、圆形、管状截面等形状简单的制品。等静压可获得均匀致密的坯体，烧成收缩小，各方向收缩均匀，但设备复杂、价格昂贵，生产效率不高，只适合有特殊要求的材料生产。

2.湿法成型

2.1 注浆
注浆成型工艺与流延成型类似，不同之处在于成型过程包括物理脱水过程和化学凝聚过程。物理脱水通过多孔石膏模具的毛细作用除去浆体中的水分；表面CaSO4溶解产生的Ca2+使浆体离子强度增加，导致浆体絮凝。
在物理脱水和化学凝固作用下，陶瓷粉体颗粒沉积在石膏模壁上。注浆成型适合制备大型、形状复杂的陶瓷件，但坯体质量较差，包括形状、致密度、强度等，工人劳动强度大，不适合自动化操作。

2.2 热压铸
热压铸是将陶瓷粉末与粘结剂（石蜡）在较高温度下（60~100℃）混合，得到用于热压铸的浆料，在压缩空气作用下将浆料注入金属模具内，保压，冷却、脱模得到蜡坯，蜡坯在惰性粉末的保护下脱蜡得到坯体，坯体经高温烧结即成为瓷器。

热压铸成型的坯体尺寸精确，内部组织均匀，模具磨损少，生产效率高，且适用原材料种类繁多。热压铸成型需严格控制蜡浆和模具的温度，否则会造成欠压或变形，不适合制造大型零件，且两步烧成工艺复杂，能耗较高。

2.3 流延成型
流延成型是将陶瓷粉体与大量有机粘结剂、增塑剂、分散剂等充分混合，得到可流动的粘稠浆体，将浆体加入流延机的料斗中，用刮刀控制厚度，经加料嘴流出至传送带上，经干燥后得到膜坯。

该工艺适用于薄膜材料的制备。为了获得更好的柔韧性，需要加入大量的有机物，且要求严格控制工艺参数，否则易造成起皮、条纹、薄膜强度低或难以剥离等缺陷。所用的有机物有毒，会造成环境污染，应尽可能采用无毒或低毒体系，减少环境污染。

2.4 凝胶注射成型
凝胶注射成型技术是一种新型胶体快速成型工艺，由美国橡树岭国家实验室的研究人员于20世纪90年代初发明，其核心是利用有机单体溶液聚合成高强度、侧链连接的聚合物-溶剂凝胶。

将陶瓷粉末溶于有机单体溶液中，制成浆料，在模具中浇铸成型，单体混合物发生聚合，形成凝胶状部件。由于侧链连接的聚合物-溶剂混合物中聚合物质量分数仅为10%~20%，因此很容易通过干燥步骤去除凝胶部件中的溶剂。同时，由于聚合物侧链连接，聚合物在干燥过程中不会随溶剂迁移。

该方法可制造单相及复合陶瓷零件，可形成形状复杂、准净尺寸的陶瓷零件，其生坯强度高达20-30Mpa以上，可进行二次加工。该方法的主要问题是：在致密化过程中，胚体收缩率较大，易导致胚体变形；某些有机单体存在氧抑制作用，造成表面起皮、脱落；由于温度诱导有机单体聚合过程，引起温度下降导致内应力的存在，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苏黎世联邦理工学院开发的一种成型技术：将溶剂水、陶瓷粉末和有机添加剂充分混合，形成静电稳定、低粘度、高固含量的浆体，通过添加可改变浆体pH值或增加电解质浓度的化学物质，然后将浆体注入无孔模具中。

工艺过程中控制化学反应的进程。注塑成型前的反应缓慢进行，浆料保持较低的粘度，注塑成型后反应加速，浆料凝固，由流体浆料转变为固态实体。所得坯体具有良好的力学性能，强度可达5kPa。坯体脱模、干燥、烧结后，即可形成所需形状的陶瓷零件。

其优点是不需要或只需少量有机添加剂（少于1%），坯体无需脱脂，坯体致密度均匀，相对致密度较高（55%~70%），可成型大尺寸、形状复杂的陶瓷零件；缺点是添加剂价格昂贵，反应过程中一般有气体释放。

2.6 注塑成型
注射成型早已应用于塑料制品的成型和金属模具的成型。该工艺采用热塑性有机物的低温固化或热固性有机物的高温固化。将粉末和有机载体在专用混合设备中混合，然后在高压（几十到几百MPa）下注射到模具中。由于成型压力大，所得毛坯尺寸精确、光洁度高、结构致密；使用专用成型设备大大提高了生产效率。

20世纪70年代末80年代初，注射成型工艺开始应用于陶瓷零件的成型。该工艺通过添加大量有机物实现了贫料的塑性成型，是一种常见的陶瓷塑性成型工艺。在注射成型技术中，除采用热塑性有机物（如聚乙烯、聚苯乙烯）、热固性有机物（如环氧树脂、酚醛树脂）或水溶性聚合物作为主要结合剂外，还需添加一定量的增塑剂、润滑剂、偶联剂等工艺助剂，以改善陶瓷注射悬浮液的流动性，保证注射成型体的质量。

注射成型工艺具有自动化程度高、成型毛坯尺寸精确等优点，但注射成型陶瓷零件坯体中的有机物含量高达50vol%，在后续的烧结过程中需要较长时间，甚至几天到几十天才能消除这些有机物，容易造成质量缺陷。

2.7 胶体注射成型
为解决传统注射成型工艺中有机物添加量大、排除困难等问题，清华大学创造性地提出了陶瓷胶体注射成型新工艺，并自主研制了胶体注射成型样机，实现了贫瘠陶瓷浆料的注射成型。

其基本思路是将胶体成型与注射成型相结合，利用专有的注射设备和胶体原位凝固成型工艺提供的新型固化技术。这种新工艺使用低于4wt.%的有机物。利用水基悬浮液中少量的有机单体或有机化合物，在注入模具后迅速诱导有机单体聚合，形成有机网络骨架，均匀地包裹住陶瓷粉末。不仅脱胶时间大大缩短，而且脱胶开裂的可能性也大大降低。

陶瓷注射成型与胶体成型有着巨大的区别。主要区别在于前者属于塑性成型范畴，而后者属于浆料成型，即浆料不具有可塑性，是一种贫瘠的材料。由于胶体成型中浆料不具有可塑性，因此不能采用传统的陶瓷注射成型思路。如果将胶体成型与注射成型相结合，利用胶体原位成型工艺提供的专有注射设备和新型固化技术，实现陶瓷材料的胶体注射成型。

陶瓷胶体注射成型新工艺不同于一般胶体成型和传统注射成型，其成型自动化程度高的优势是胶体成型工艺质的升华，将成为高技术陶瓷产业化的希望。