中國粉體網(wǎng)訊  特種陶瓷是具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、高硬度等一系列優(yōu)良性能的新型材料，在化工、冶金、石油運(yùn)輸、機(jī)械密封件、信息、能源、航空航天以及國防領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。且高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)μ胤N陶瓷的形狀和尺寸精度都有較高的要求。而陶瓷材料本質(zhì)上是一種脆性材料，加之其高硬度、高耐磨性的特點(diǎn)，增加了后續(xù)加工的難度及加工成本。因此，提高材料的性能可靠性，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀部件的精密成型，降低材料的制備、加工成本成為特種陶瓷發(fā)展的重要課題。

1.特種陶瓷

特種陶瓷也稱為先進(jìn)陶瓷、現(xiàn)代陶瓷、新型陶瓷、高性能陶瓷、高技術(shù)陶瓷和精細(xì)陶瓷,突破了傳統(tǒng)陶瓷以黏土為主要原料的界限,主要以氧化物、炭化物、氮化物、硅化物等為主要原料,有時(shí)還可以與金屬進(jìn)行復(fù)合形成陶瓷金屬復(fù)合材料,是一種采用現(xiàn)代材料工藝制備的、具有獨(dú)特和優(yōu)異性能的陶瓷材料。

特種陶瓷分類及應(yīng)用

2.特種陶瓷成型方法及特點(diǎn)

陶瓷成型就是將陶瓷原料按照實(shí)際生產(chǎn)的要求制作成具有規(guī)定形狀、尺寸及一定強(qiáng)度的生坯，成型過程取決于陶瓷原料的性能和成型工藝方法。造就陶瓷制品形狀的方法也是多種多樣的，但總的來說，可以分為干法成型和濕法成型。

干法成型包括干壓成型、等靜壓成型、超高壓成型、粉末電磁成型等方法。濕法成型大致可分為塑性成型和膠態(tài)澆注成型兩大類。塑性成型也稱濕壓法，是指將已制成塑性的物料在剛性模具中壓制成型的一種成型方法，包括擠壓成型、注射成型、軋膜成型(壓延成型)等幾種。膠態(tài)澆注成型是將具有流動(dòng)性的漿料制成可自我支撐形狀的一種成型方法。該法利用漿料的流動(dòng)性，使物料干燥并固化后得到一定形狀的成型體。主要包括注漿成型、注凝成型、流延成型、直接凝固成型、膠態(tài)振動(dòng)注模成型等。

陶瓷材料及部件的主要成型工藝

2.1干壓成型

干壓成型就是在陶瓷粉料中加入一定量的有機(jī)添加劑（粘結(jié)劑、潤滑劑、可塑劑、消泡劑、減水劑等），在外界壓力的作用下，使其在模具中成型。

優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，所以在工業(yè)生產(chǎn)中得到較大的應(yīng)用。

缺點(diǎn)：在成型過程中，常會(huì)因?yàn)閺较颉⑤S向的壓力分布不均而引起坯體的分層，開裂、密度不均等現(xiàn)象也會(huì)經(jīng)常發(fā)生。

2.2等靜壓成型

等靜壓成型是通過施加各項(xiàng)同性壓力而使粉料一邊壓縮一邊成型的方法。根據(jù)成型溫度的不同，等靜壓成型又分為熱等靜壓成型和冷等靜壓成型。冷等靜壓是在常溫下對(duì)工件進(jìn)行成型的等靜壓法。熱等靜壓是在指在高溫高壓下對(duì)工件進(jìn)行等壓成型燒結(jié)的等靜壓法。

陶瓷球坯模壓－等靜壓成型工藝過程

 陶瓷球坯直接等靜壓成型工藝過程

優(yōu)點(diǎn)：能壓制具有凹形、空心、細(xì)長件以及其他復(fù)雜形狀的零件；摩擦損耗小，成型壓力低；壓力從各個(gè)方面?zhèn)鬟f，壓坯密度分布均勻、壓坯強(qiáng)度高，模具制作方便，壽命長，成本較低。

缺點(diǎn):壓坯尺寸和形狀不易精確控制，生產(chǎn)率較低，且投資大，操作較復(fù)雜，成型在高壓下操作，容器及其它高壓部件需要特別防護(hù)。

2.3超高壓成型

超高壓成型是一種發(fā)展很快的成型方法,多用于納米陶瓷的成型中。納米陶瓷的粒徑受燒結(jié)溫度影響很大,燒結(jié)溫度越低，粒徑越小，越容易得到納米陶瓷；而通過加大成型壓力，提高素坯的初始密度，可以降低納米陶瓷的燒結(jié)溫度，因此超高壓成型應(yīng)運(yùn)而生。超高壓成型明顯地改變了素坯的燒結(jié)性能，從而更加容易得到納米陶瓷。

2.4粉末電磁成型

粉末電磁壓制是一種利用強(qiáng)脈沖電磁力作用于粉末體使其致密化的高效率成型新工藝。這種方法通常用于金屬材料的成型，可獲得非常高的致密度。粉末電磁壓制法成型的樣品致密度均達(dá)到了95%以上，具有較好的壓電與介電性能。

管裝粉末電磁壓制原理

吳彥春.電磁壓制設(shè)備研制及其在功能陶瓷制備中的應(yīng)用研究

2.5擠壓成型

將粉料、粘接劑、潤滑劑等與水均勻混合充分混練，然后利用液壓機(jī)推動(dòng)活塞，將已塑化的坯料從擠壓嘴擠出。由于擠壓嘴的內(nèi)型逐漸縮小，活塞對(duì)泥團(tuán)產(chǎn)生很大的擠壓力，使坯料致密并成型。

擠出成型示意圖

來源：rmat.ceram.titech.ac.jp

優(yōu)點(diǎn)：擠壓成型得到的陶瓷膜管具有較大的孔隙率、密度和耐壓強(qiáng)度，且孔徑分布集中，氣體的滲透通量很大，是一種優(yōu)良的陶瓷膜管。適于制造圓形、橢圓形、多邊形和其他異形斷裂面的管材或棒材。

缺點(diǎn)：物料強(qiáng)度低容易變形,并可能產(chǎn)生表面凹坑和起泡、開裂及內(nèi)部裂紋等缺陷。

2.6注射成型

注射成型又稱熱壓鑄成型,該技術(shù)通過加入一定量的聚合物及添加劑組元并微熱,賦予金屬粉末、陶瓷粉末與聚合物相似的流動(dòng)性，在壓力下將料漿注滿金屬模中,冷卻后脫坯得到坯件。被美國等發(fā)達(dá)國家列為重要的“國家關(guān)鍵技術(shù)”。

 陶瓷注射成型的工藝路線

優(yōu)點(diǎn)：原材料利用率高,可快速自動(dòng)地進(jìn)行批量生產(chǎn)；可制備體積小、形狀復(fù)雜、尺寸精度高的異形件；由于流動(dòng)沖模，使生坯密度均勻，燒結(jié)產(chǎn)品性能優(yōu)越；生產(chǎn)成本低。

2.7壓延成型

將粉料、添加劑和水均勻混合制成塑性物料，然后將物料經(jīng)兩個(gè)相向轉(zhuǎn)動(dòng)軋輥軋制，從而成為板狀素坯的成型方法。軋膜成型所得坯體密度高，適于片狀、板狀物件的成型。

2.8注漿成型

注漿成型方法是將制備好的泥漿注入石膏模型中，由于石膏模型具有透氣和吸水性能，泥漿接觸模型以后，泥漿中的水分會(huì)逐漸被吸入模型壁中，泥漿中的細(xì)小顆粒會(huì)隨著模型的形狀而均勻地排列成一個(gè)稠泥層，當(dāng)稠泥層達(dá)到人們預(yù)期的厚度時(shí)，即可將模型中多余的泥漿倒出。待稠泥層中的水分被模型繼續(xù)吸收達(dá)到獨(dú)立成型后，即可將坯體取出，干燥待修。

注漿成型流程圖

來源：F.H.NortonrF.H.Norton

優(yōu)點(diǎn)：工藝成本低，過程簡單，易于操作和控制。

缺點(diǎn)：成型形狀粗糙，注漿時(shí)間較長，坯體密度、強(qiáng)度也不高。

2.9離心注漿成型

離心注漿成型是在傳統(tǒng)注漿成型基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。它通過調(diào)節(jié)pH值等工藝參數(shù),使粉體在液體中均勻分散，在高速旋轉(zhuǎn)的離心力的作用下沉積成型。離心注漿成型將濕法化學(xué)粉末制備與無應(yīng)力致密化技術(shù)相結(jié)合，一方面可以防止粉體的團(tuán)聚及其他缺陷；另一方面可以借助粉體的粒徑的不同和轉(zhuǎn)速不同達(dá)到分別沉積的目的，可用于多層和梯度復(fù)合功能材料的制備。

2.10電泳沉積成型

電泳沉積成型是利用直流電場促使帶電顆粒發(fā)生遷移，進(jìn)而沉積到極性相反的電極上而成型。

特點(diǎn)：操作簡單、靈活及可靠性高,因而適用于多層陶瓷電容器、傳感器、梯度功能陶瓷的成型方法,但對(duì)過程參數(shù)的變化影響比較敏感。

2.11凝膠注模成型

注凝成型是在懸浮介質(zhì)中加入乙烯基有機(jī)單體，然后利用催化劑和引發(fā)劑通過自由基反應(yīng)使有機(jī)單體進(jìn)行交聯(lián)，坯體實(shí)現(xiàn)原位固化。凝膠注模成型技術(shù)是美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究者在20世紀(jì)90年代初首先發(fā)明的一種新的膠態(tài)快速成型工藝。

凝膠模成型原理圖

凝膠注模成型工藝詳細(xì)流程示意圖

優(yōu)點(diǎn)：坯體強(qiáng)度高，便于機(jī)械加工。

缺點(diǎn)：致密化過程中坯體的收縮率比較大,導(dǎo)致坯體彎曲變形，且所使用的有機(jī)單體有毒性，反應(yīng)氣氛不易控制。

2.12流延成型

流延成型是指在陶瓷粉料中加入溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑等成分，得到分散均勻的穩(wěn)定漿料，在流延機(jī)上制得所要求厚度薄膜的一種成型方法。

流延成型（刮到法）過程示意圖

來源：media-1.web.britannica.com

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、可連續(xù)操作、生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化水平高、工藝穩(wěn)定、坯體性能均一等。

2.13直接凝固成型

直接凝固成型是20世紀(jì)90年代瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院Gauckler教授的研究小組將生物酶技術(shù)、膠態(tài)化學(xué)與陶瓷工藝學(xué)相結(jié)合而發(fā)明的一種全新概念的凈尺寸原位陶瓷成型技術(shù)。

直接凝固注模成型工藝流程圖

優(yōu)點(diǎn)：不需或只需少量的有機(jī)添加劑(小于1wt%)，坯體不需脫脂，坯體密度均勻，相對(duì)密度較高，而且可成型大尺寸復(fù)雜形狀的陶瓷部件。

缺點(diǎn)：坯體強(qiáng)度往往不夠高。

2.14膠態(tài)振動(dòng)注模成型

膠態(tài)振動(dòng)注模成型是1993年alifornia大學(xué)SantaBarbara分校F.F.Lange教授發(fā)明的一種膠態(tài)成型技術(shù)。將制備好的含有高離子強(qiáng)度的稀懸浮體(20%～30%(vol))通過壓濾或離心獲得高固相含量的坯料，然后在振動(dòng)作用下進(jìn)行澆注，實(shí)現(xiàn)原位固化。

膠態(tài)振動(dòng)注模成型工藝流程圖

優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，并可成型復(fù)雜形狀的陶瓷部件。

缺點(diǎn)：素坯強(qiáng)度較低，脫模時(shí)坯體易于開裂和變形。

2.15溫度誘導(dǎo)絮凝成型

溫度誘導(dǎo)絮凝成型是瑞典L.Bergstrom1994年發(fā)明的一種凈尺寸膠態(tài)成型方法，DCC及膠態(tài)振動(dòng)注模成型利用的是膠體的靜電穩(wěn)定特性而這種方法利用了膠體的空間（位阻）穩(wěn)定特性。

溫度誘導(dǎo)絮凝成型流程圖

優(yōu)點(diǎn)：脫模后不合格的坯體可作為原料重復(fù)使用，可用于成型幾乎所有陶瓷粉體體系。

2.16固體無模成型

近代固體無模成型技術(shù)概念大約出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代末。90年代初，美國Texas大學(xué)提出了自由成型制造的成型思想并應(yīng)用于陶瓷領(lǐng)域。固體無模成型技術(shù)突破了傳統(tǒng)成型思想的限制,是一項(xiàng)基于“生長型”的成型方法。在陶瓷領(lǐng)域，固體無模成型工藝又可分為：激光選區(qū)燒結(jié)成型、三維打印成型、熔融沉積成型、分層制造成型、立體光刻成型等。

特點(diǎn)：高度柔性，技術(shù)的高度集成，快速性，自由成型制造等。該技術(shù)目前存在的主要問題有：設(shè)備價(jià)格高，軟件開發(fā)，材料開發(fā)，成型精度和質(zhì)量等問題。

各種膠態(tài)成型方法的比較

總體來說，鋼模壓制、等靜壓成型等干法成型技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)成熟度高，自動(dòng)化程度高，是目前特種陶瓷成型的主要方法，但由于精確尺寸控制得不力，限制了其在高性能精細(xì)陶瓷成型方面的應(yīng)用。而以注凝成型和流延成型為代表的膠態(tài)成型方法是濕法成型中的新技術(shù)，不僅具備低成本的優(yōu)點(diǎn)，而且自動(dòng)化程度較高,能實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，代表了特種陶瓷成型方法的發(fā)展方向。未來，特種陶瓷成型技術(shù)未來的發(fā)展將集中于以下幾個(gè)發(fā)面:

（1）進(jìn)一步開發(fā)已經(jīng)提出的各種無模成形技術(shù)在制備不同陶瓷材料中的應(yīng)用；

（2）性能更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)層以及在層內(nèi)的穿插、交織、連接結(jié)構(gòu)和成分三維變化的設(shè)計(jì)；

（3）大型異形件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造；

（4）陶瓷微結(jié)構(gòu)的制造及實(shí)際應(yīng)用；

（5）進(jìn)一步開發(fā)無污染和環(huán)境協(xié)調(diào)的新技術(shù)。

參考資料：

葛偉青.特種陶瓷材料的研究進(jìn)展

魯燕萍.陶瓷冷等靜壓成型技術(shù)

劉成功.淺談特種陶瓷技術(shù)的新發(fā)展

李國棟.高性能陶瓷膠態(tài)成型新工藝綜述

康永等.陶瓷成型加工技術(shù)新進(jìn)展

姬文晉等.特種陶瓷成型方法

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/三昧）