氧化锆陶瓷的九种精密成型工艺

氧化锆陶瓷的九种精密成型工艺
成型工艺在陶瓷材料的整个制备过程中起着连接作用，是保证陶瓷材料和部件性能可靠性和生产可重复性的关键。
随着社会的发展，传统陶瓷的手工揉捏法、轮制法、灌浆法等已无法满足现代社会对生产和精细化的需求，因此，一种新的成型工艺应运而生。ZrO2精细陶瓷材料广泛应用于以下9种成型工艺（2种干法和7种湿法）：

1. 干式成型

1.1 干压

干压成型是利用压力将陶瓷粉末压制成特定形状的坯体。其本质是在外力作用下，模具内的粉末颗粒相互靠近，并通过内摩擦力紧密结合，从而保持一定的形状。干压成型坯体的主要缺陷是剥落，这是由于粉末间的内摩擦以及粉末与模壁间的摩擦力造成的，导致坯体内部压力损失。

干压成型的优点是生坯尺寸精确、操作简便、易于实现机械化生产；生坯干压成型过程中水分和粘结剂含量较低，干燥和烧成收缩率小。它主要用于成型形状简单、长宽比小的产品。模具磨损导致生产成本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的基础上发展起来的一种特殊成型方法。它利用流体传递压力，从各个方向均匀地对弹性模具内的粉末施加压力。由于流体内部压力的一致性，粉末在各个方向上承受的压力相同，因此可以避免生坯密度不均的问题。

等静压成型分为湿袋等静压成型和干袋等静压成型。湿袋等静压成型可以成型形状复杂的产品，但只能间歇式操作。干袋等静压成型可以实现自动连续操作，但只能成型方形、圆形、管状截面等简单形状的产品。等静压成型可以获得均匀致密的生坯，烧成收缩率小，且各方向收缩均匀，但设备复杂昂贵，生产效率不高，仅适用于对成型要求有特殊要求的材料的生产。

2. 湿式成型

2.1 灌浆
灌浆成型工艺与流延成型类似，区别在于灌浆成型工艺包括物理脱水和化学絮凝两个步骤。物理脱水利用多孔石膏模具的毛细作用去除浆料中的水分。表面CaSO4溶解产生的Ca2+提高了浆料的离子强度，从而导致浆料絮凝。
在物理脱水和化学凝固的作用下，陶瓷粉末颗粒沉积在石膏模壁上。灌浆法适用于制备形状复杂的大型陶瓷零件，但生坯质量较差，包括形状、密度、强度等，劳动强度高，且不适合自动化操作。

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（60~100℃）下混合，制成热压铸浆料。在压缩空气的作用下，将浆料注入金属模具中并保持压力。冷却后，脱模得到蜡坯，在惰性粉末的保护下对蜡坯进行脱蜡处理，得到生坯，最后将生坯在高温下烧结成瓷。

热压铸成型的生坯尺寸精确，内部结构均匀，模具磨损小，生产效率高，适用于多种原材料。但蜡浆和模具的温度需要严格控制，否则容易造成注塑不足或变形，因此不适用于大型零件的制造；此外，两步烧结工艺复杂，能耗较高。

2.3 胶带成型
流延成型是将陶瓷粉末与大量的有机粘合剂、增塑剂、分散剂等充分混合，得到流动性好的粘稠浆料，将浆料加入流延机的料斗，用刮刀控制厚度，浆料经进料口流到传送带上，干燥后得到薄膜坯料。

该工艺适用于制备薄膜材料。为了获得更好的柔韧性，需要添加大量的有机物，并且工艺参数必须严格控制，否则容易出现剥落、条纹、薄膜强度低或难以剥离等缺陷。所用的有机物具有毒性，会造成环境污染，因此应尽可能使用无毒或低毒的体系，以减少环境污染。

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，由橡树岭国家实验室的研究人员在 20 世纪 90 年代初首次发明。其核心是使用有机单体溶液，这些溶液聚合形成高强度、侧向连接的聚合物-溶剂凝胶。

将溶解于有机单体溶液中的陶瓷粉末浆料浇注到模具中，单体混合物聚合形成凝胶状部件。由于侧向连接的聚合物-溶剂混合物中聚合物的质量分数仅为10%～20%，因此很容易通过干燥步骤从凝胶状部件中去除溶剂。同时，由于聚合物之间的侧向连接，聚合物在干燥过程中不会随溶剂迁移。

该方法可用于制造单相和复合陶瓷零件，能够形成形状复杂、尺寸接近最终形状的陶瓷零件，其生坯强度高达20-30MPa甚至更高，可进行二次加工。该方法的主要问题是：胚坯在致密化过程中收缩率较高，容易导致胚坯变形；某些有机单体具有氧阻聚作用，容易造成表面剥落；由于温度诱导的有机单体聚合过程，温度削薄会导致内部应力的存在，从而造成坯体断裂等问题。

2.5 直接固化注塑成型
直接固化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、高固含量的浆料，可以通过添加浆料 pH 值或增加电解质浓度的化学物质来改变浆料的性质，然后将浆料注入无孔模具中。

控制工艺过程中的化学反应进程。注塑成型前的反应缓慢进行，保持浆料黏度较低；注塑成型后反应加速，浆料固化，流动浆料转化为固体坯体。所得生坯具有良好的力学性能，强度可达5kPa。将生坯脱模、干燥、烧结，即可制成所需形状的陶瓷零件。

其优点是无需或仅需少量有机添加剂（小于1%），生坯无需脱脂，生坯密度均匀，相对密度高（55%~70%），且可成型大尺寸、复杂形状的陶瓷零件。其缺点是添加剂价格昂贵，且反应过程中通常会释放气体。

2.6 注塑成型
注塑成型技术长期以来广泛应用于塑料制品和金属模具的成型。该工艺采用热塑性有机材料的低温固化或热固性有机材料的高温固化。将粉末和有机载体在专用混合设备中混合，然后在高压（数十至数百兆帕）下注入模具。由于成型压力大，所得坯料尺寸精确、表面光滑、结构致密；专用成型设备的使用大大提高了生产效率。

20世纪70年代末80年代初，注塑成型工艺被应用于陶瓷零件的成型。该工艺通过添加大量有机物来实现无固相材料的塑化，是一种常见的陶瓷塑化工艺。在注塑成型技术中，除了使用热塑性有机物（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粘结剂外，还需要添加一定量的增塑剂、润滑剂和偶联剂等工艺助剂，以提高陶瓷注塑悬浮液的流动性，并保证注塑件的质量。

注塑成型工艺具有自动化程度高、坯体尺寸精确等优点。然而，注塑陶瓷件生坯中的有机物含量高达50vol%。在后续的烧结过程中，需要数天甚至数十天的时间才能去除这些有机物，容易导致质量缺陷。

2.7 胶体注射成型
为了解决添加大量有机物以及难以消除传统注塑成型工艺中存在的困难等问题，清华大学创造性地提出了一种新的陶瓷胶体注塑成型工艺，并自主研制了胶体注塑成型样机，实现了贫陶瓷浆料的注塑成型。

其基本思路是将胶体成型与注塑成型相结合，利用专有的注塑设备和胶体原位固化成型工艺提供的新型固化技术。该新工艺使用的有机物含量低于4wt.%。在水基悬浮液中加入少量有机单体或有机化合物，注入模具后即可快速诱导有机单体聚合，形成均匀包裹陶瓷粉末的有机网络骨架。因此，不仅大大缩短了脱胶时间，而且显著降低了脱胶开裂的可能性。

陶瓷注塑成型与胶体成型之间存在巨大差异。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，即浆料本身不具备塑性，是一种无塑性材料。由于胶体成型中的浆料不具备塑性，因此无法采用传统的陶瓷注塑成型理念。若将胶体成型与注塑成型相结合，则可利用专用注塑设备和胶体原位成型工艺提供的新型固化技术，实现陶瓷材料的胶体注塑成型。

新型陶瓷胶体注射成型工艺不同于一般的胶体成型和传统注射成型。其高度自动化的优势在于实现了胶体成型工艺的质的飞跃，有望成为高科技陶瓷产业化的希望。