陶瓷材料成型工艺研究新进展

维普资讯 http://www.cqvip.com 第４０卷第６期　江苏陶瓷　Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．６　１８　２Ｏ０ｒ７年１２月　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ　Ｄｅｃｅｍｌ￣ｒ，２００７　陶瓷材料成型工艺研究新进展　崔静涛，兰新哲，王碧侠。宋永辉。张静　（西安建筑科技大学责金属工程研究所，西安７１００５５）　摘　要　陶瓷制造经历数千年历史，当前阻碍陶瓷材料进一步发展的关键之一是成　型工艺技术没有突破。本文介绍了固体无模成型工艺及气态成型。并对上述工艺的　原理、工艺过程及特点进行比较，提出了陶瓷成型工艺的关键问题。并介绍了水基非　塑性浆料的注射成型新工艺。　关键词　陶瓷；固体无模成型；气态成型；胶态注射成型　Ｕ　嗣吾　Ｈｅｌｉｓｙｓ和Ｐｅａｋ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ等公司将其用于陶瓷的　陶瓷作为一种重要的结构材料，具有高强度、高　成型，用于叠加的陶瓷材料一般为流延薄材。Ｃｕｒｔｉｓ　硬度、耐高温、耐腐蚀等优点，无论在传统工业领域　Ｃｒｉｆｉｆｎ等采用ＬＯＭ法制成了Ａｌ２０，部件，结果表明其　还是在新兴的高技术领域都有着广泛的应用。然而　性能与传统干压工艺成型的相差不大ｌｘ３，￣。　陶瓷所固有的高强度、高硬度等优点却同时给陶瓷　件的成型、加工带来了很多困难。因此研究各种陶瓷　成型技术变得至关重要。　粉料成型技术的目的是为了得到内部均匀和高　密度的坯体。提高成型技术是提高陶瓷产品可靠性　的关键步骤Ｈ】。成型是陶瓷生产过程的一个重要步　骤。成型过程就是将分散体系（粉料、塑性物料、浆　料）转变为具有一定几何形状和强度的块体，也称素　漉延薄带—一　坯。成型的方法很多。本文主要介绍固体无模成型工　圈１层片叠加成型示量圈　艺、气相成型、陶瓷胶态注射成型技术这几种主要的　１．２熔化沉积成型　陶瓷成型工艺的成型原理、基本工艺及特点。不同形　ＦＤＣ　Ｆｕｓｅｄ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ）技术是由　态的物料应用不同的成型方法。究竞选择哪一种成　ＦＤＭ　Ｆｕｓｅｄ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ）技术发展而来的。　型方法取决于对制品各方面的要求和粉料的自身性　ＦＤＭ技术是由Ｓｔｒａｔａｓｙｓ公司开发成功并实现商业化　质（如颗粒尺寸、分布、表面积）。　的。在ＦＤＭ中，通过计算机控制将由高分子或石蜡　ｌ固体无模成型工艺　制成的细丝送人熔化器，在稍高于其熔点的温度下　熔化。再从喷嘴挤至成型平面上。通过控制喷嘴在ｘ—　Ｉ．Ｉ层片叠加成型法　Ｙ方向和工作平台ｚ方向的移动可以实现三维部件　ＬＯＭ（Ｌａｍｉｎａｔｅｄ　Ｏｂｊｅｅｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）法是美国　的成型。Ｒｕｔｇｅｒｓ大学和Ａｒｇｏｎｎｅ国家实验室将这种　的Ｈｅｌｉｓｙｓ公司开发并实现商业化的，其成型工艺见　技术应用于陶瓷生产。并称之为Ｆｕｓｅｄ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　图１。Ｌ０Ｍ公司利用激光在ｘ—Ｙ方向的移动切割每　Ｃｅｒａｍｉｃｓ（ＦＤＣ）。Ｓｔｅｐｈｅｎ等对Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２０３的成型进行　一层薄片材料。每完成一层的切割。控制工作平台在　了研究。但由于细丝缺乏足够的柔韧性而不能连续　ｚ方向的移动以叠加新一层的薄片材料。激光的移　进给，而且部件密度较低，需要进一步研究加以解决　动由计算机控制。层与层之间的结合可以通过粘结　［２－５／。　剂或热压焊合。由于该方法只需要切割出轮廓线。因　１．３立体印刷成型　此成型速度较快，且非常适合制造层状复合材料。　立体印刷成型［６１以光敏树脂为原料。采用计算机　收稿日期：２００７－０９—１５　国家自然科学基金重点项目（５０４３４０３０）　维普资讯 http://www.cqvip.com 崔静涛等：陶瓷材料成型工艺研究新进展　科技简报　１９　控制下的紫外激光以预订原型各分层截面的轮廓为　轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合　反应后固化，从而形成一个薄层截面。当一层固化　相颗粒的生成与成型过程同时进行，因此可避免一般　超细粉料中的团聚问题。在成型过程中不存在排除液　相的问题，从而避免了湿法工艺带来的种种弊端［１０１。　后，向上（或下）移动工作台，在刚刚固化的树脂表面　布放一层新的液态树脂，再进行新一层扫描、固化。　新固化的一层牢牢地粘合前一层，如此重复至整个　原型制造完毕。Ｍｉｃｈｅｌｌｅ　Ｌ．Ｃｒｉｇｇｉｔｈ等研究了ＳｉＯ２、　Ｓｉ３Ｎ　、Ａ１２０３的成型。Ｂｒａｄｙ等用ＳＬ法制备了ＰＺＴ材　质的压电陶瓷件。　１．４三维打印成型　三维打印是由美国麻省理工学院（ＭＩＴ）开发出　来的，首先将粉末铺在工作台上，通过喷嘴把粘结剂　喷到选定的区域，将粉末粘结在一起，形成一个层，　而后工作台下降，填粉后重复上述过程直至做出整　个部件。Ｊ．Ｇｒａｕ等人网采用三维打印技术制备了　Ａｌ２ｏ，陶瓷模。Ｊ．ＹＯＯ等人用三维打印法结合热等静　压工艺制备出致密的Ａｌ２０，陶瓷件。此外，Ｓｐｅｃｉｉｆｃ　Ｓｕｒｆａｃｅ公司用该技术制造了复杂的陶瓷过滤器。　１．５喷墨打印成型　喷墨打印成型技术由Ｂｒｕｎｅｌ大学的Ｅｖａｎｓ和　Ｅｄｉｒｉｓ　ｉｎｇｌｅ研制出来的，是将待成型的陶瓷粉与各　种有机物配置成陶瓷墨水，通过打印机将陶瓷墨水　打印到成型平面上成型。该工艺的关键是配制出分　散均匀的陶瓷悬浮液，目前使用的陶瓷材料有ＺｒＯ：、　ＴｉＯ２、Ａ１２０３等阎。　１．６选区激光烧结　ＳＬＳ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｌａｓｅｒ　Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）以堆积在工作平　台上的粉末为原料，用高能ＣＯ：激光器从粉末上扫　描。将选定区内的粉末烧结以做出部件的每一个层。　对于塑料件，激光完全烧结高分子粉末。得到最终成　型件。陶瓷的烧结温度很高，很难用激光直接烧结。　可以将难熔的陶瓷粒子包裹上高分子粘结剂应用到　ＳＬＳ设备上，激光熔化粘结剂以烧结各个层，从而制　备出陶瓷生坯，通过粘结剂去除及烧结后处理过程　就得到最终的陶瓷件。Ｍａｒｃｕｓ等利用这种技术制成　了Ａ１２０　网齿轮和其他零部件。　２气相成型　利用气相反应生成纳米颗粒，如能使颗粒有效　而且致密地沉积到模具表面，累积到一定厚度即成　为制品，或者先使用其它方法制成一个具有开口气　孔的坯体，再通过气相沉积工艺将气孔填充致密，用　这种方法可以制造各种复合材料（见图２）。由于固　圉　脱摸的产品　囤２气相沉积成型示意囤　３陶瓷胶态注射成型新工艺　清华大学黄勇教授【　】提出把胶态成型和注射成型　结合起来的“陶瓷胶态注射成型新工艺”即水基非塑　性浆料的注射成型，其流程见图３。是将低粘度、高固　相体积分数的水基陶瓷浓悬浮体注射到非孔模具中。　并使之原位快速固化，再经烧结，制得显微结构均匀、　无缺陷和净尺寸的高性能、高可靠性的陶瓷部件，并　大大降低陶瓷制造成本。　图３陶瓷胶态注射成型流程　陶瓷胶态注射成型解决了两个重要的关键技术：　陶瓷浓悬浮体的快速原位固化和注射过程的可控性。　通过深入研究发现压力可以快速诱导陶瓷浓悬浮体　的原位固化，从而发明了压力诱导陶瓷成型技术。　通过胶态注射成型技术可以获得高密度、高均匀　性和高强度的陶瓷胚体。这种成型技术可以消除陶瓷　粉体颗粒的团聚体，减少烧结过程中复杂形状部件的　变形、开裂，从而减少最终部件的机加工量，获得高可　靠性的陶瓷材料与部件。避免了传统陶瓷注射成型使　用大量有机物所导致的排胶困难，实现了胶态成型的　注射过程。适合于规模化生产，是高技术陶瓷产业化　的核心技术。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２０　江苏陶瓷Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ　２００７年１２月第４０卷第６期　４结语　【３】Ｇｒｉｆｆｍ　Ｃｕｒｔ＇ｉｓ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｓｋｔｏｐ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：．ＬＯＭ　ｖｓ　ｐｒｅｓｓｉｎｇ［Ｊ１．　Ｔｈｅ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｂｕｌｈｔｌｎ，１９９４，７３（８】：１０９－１　１３．　固体无模成型技术制备陶瓷件的研究很多还处　［４】Ｍｕｋｅｓｈ　Ｋ　Ａｇａｒｗａｌｓ，ｅｔ　ａ１．ＦＤＣ　ｒａｐｉｄ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　于研制阶段，各种成型的方法也各有其优缺点。选用　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ册．Ｔｈｅ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｂｕｎｅｔ￣１９９６，７５（Ｉ　１）：　６０—６５　的陶瓷材料也比较有限，但是这不能掩饰其快速制　【５】Ａｌｌａｂｖｅｒｄｉ　Ｍ，Ｄａｎｆｏａｈ　Ｓ　Ｃ，Ｊａｆａｘｉ　Ｍ．ｅｔ　ａ１．Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ａｄ—　造复杂形状的陶瓷构件的优点，而且其应用领域还　ｒａｎｔｅｄ　ｅｌｅｅｔｒｅｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｂｙ　ｆｕｓｅｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ叨．Ｊ　相当广泛，因此必将在包括结构陶瓷和功能陶瓷在　Ｅｕｒ　Ｃｅｒａｍ　Ｓｏｃ，２００１，（２１）：ｌ　４８５　【６】　Ｇａｂｒｉｅｌ　Ｔ—Ｍ　Ｃｈｕ．Ｓｏｌｉｄ　Ｆｒｅｅｆｏｒｍ　ａｎｄ　Ａｄｄｉｔｉｖｅ　Ｆａｈ－ｉｃａｔｉｏｎ叨．　内的领域发挥更重要的作用。　ＭＲＳ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９９，（５４２）：１１９－１２３　当前阻碍陶瓷材料进一步发展的关键之一是成　【７】Ｊａｓｏｎ　Ｇｒａｕ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ　ａｌｕｍｉｎａ　ｍｏｌｄｓ　ｆｏｒ　ｓｕｐ　ｃ咖ｗｉｔｈ　３－Ｄ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ叨．Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，１９９６，２３　ｆ７）：２２－２７　型技术尚未有突破。压力成型不能满足形状复杂性　【８】孙勇，王秀峰．快速原型制造技术在陶瓷制件上的研究进展．陕西　和密度均匀性的要求。上个世纪９０年代以来发展起　科技大学学报［Ｊ］，２００４＂２２：１４８—１５２　来的固体无模成型工艺以及气相成型工艺有望促使　［９１　Ｆｒｉｅｄｄａ　Ｔ，Ｔｒａｖｉｔｚｋｚｅｔｌａ　Ｎ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｃｃＦａｍ－　ｉｃ　ｐａｒｔｓ　ｂｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｌａｓｅｒ　ｃＩｌｒ　叨Ｊ　Ｅｕｒ　Ｃｅｒａｍ　Ｓｏｃ２＇００５，（２５）：１９３　陶瓷成型工艺获得突破。　【ｌ　ｏ】　李懋强．关于陶瓷成型工艺的讨论．硅酸盐学报［Ｊ１．２００１，２９（５）：　４６９＾４７Ｏ　参　考　文　献　【ｌｌ】　黄勇，龙月洋．高性能陶瓷创新工艺一陶瓷胶态注射成型技术．中　【１】Ｇｅｒｍａｎ　Ｒ　Ｍ，Ｈｅｎｓ　Ｋ　Ｆ．Ｋｅｙ　ｉｓｓｕｅｓ　ｉｎ　ｐｏｗｄｅｒ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｌｄ—　国陶瓷叨．２００６Ａ２（５）：４１．，．４３　ｉＩｌｇ册．Ｃｅｒａｍ．Ｂｕｎ，１９９１，７ｏ（８）：１　２９　ｌ　３２０　【ｌ　２】　Ｃｕｒｔｉｓ　Ｇｒｉｔ￣，ｅｔ　ａ１．Ｒａｐｉｄ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｃｅｒａｍｉｃ　【２】Ｐ．Ｍ　Ｄｉｃｋｅｎｓ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ　ｉｎ　Ｒａｐｉｄ　Ｐｒｏｔｏ－　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｕ８ｉｌｌｇ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｌａｓｅｒ　ｓｉｎｔｅｒｉｇｎ【Ｊ】．Ｍａｔｅｒａｌｓ　Ｔ￣ｈｎｄｏｇｙ，　ｔｙｐｉｎｇ叨．Ｐｒｅｃ　Ｉｎｓｔｍ　Ｍｅｅｈ　Ｅ“ｇｒｓ，１９９５（０２９）：２６１－２６６　１９９６（２）Ｉ４Ｂ—ｌ９　Ｎｅｗ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｆｏｒｍｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｏｒ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ　Ｃｕｉ　Ｊｉｎｇｔａｏ，Ｌａｎ　Ｘｉｎｚｈｅ，Ｗａｎｇ　Ｂｉｘｉａ，Ｓｏｎｇ　Ｙｏｎｇｈｕｉ，Ｚｈａｎｇ锄瞳ｇ　（Ｐｒｅｃｉｏｕｓ　Ｍｅｔａｌｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００５５）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｃｅｒａｍｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｌｏｎｇ　ｈｉｓｔｏｒｙ．　Ｆｕｒｔｈｅｒ　ａｄｖａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｃｅｒａＩｎｉｃｓ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａＩ℃ｒｅｔａｒｄｅｄ　ｂｙ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｆｏｒｍｉｇｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｓｏｈｄ　ｍｏｕｌｄｌｅｓｓ　ｆｏｒｍｉｇｎ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｐｈａｓｅ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ，ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｉｔｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ．Ｃｅｒａｍｉｃ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｎｏｎｐｌｓａｔｉｃ　ｓｌｕｒｒｙ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｂａｓｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏｏ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｃｅｒａｍｉｃ，ｓｏｌｉｄ　ｍｏｕｌｄｌｅｓｓ　ｆｏｒｍｉｇｎ，ｇａｓ　ｐｈａｓｅ　ｆｏｒｍｉｎｇ，ｃｏｌｌｏｉｄａｌ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｉｎｇ　　－ｍ、　；　中国陶瓷工业协会技术陶瓷专业委员会　；江苏省硅酸盐学会陶瓷专业委员会　学术交流会在江苏宜兴召开　ｉ　●　¨　：　２００７年１０月２２　２４日“中国陶瓷工业协会技术陶瓷专业委员会、江苏省硅酸盐学会陶瓷专业委员会学术交流　：：　　：　会”在江苏宜兴隆重召开，会议由江苏省陶瓷研究所有限公司、无锡工艺职业技术学院承办，大会会场设在新落成的无　；　：　锡工艺职业技术学院多功能厅。参加大会的领导有中国硅酸盐学会陶瓷分会理事长、中国陶瓷工业协会理事长刘矗，　：　宜兴市副何晓进，中国陶瓷工业协会秘书长黄芯红，宜兴市丁蜀镇梅中华，江苏省陶瓷工业协　：　：　会会长陈金偕等，江苏省硅酸盐学会副理事长郭靖远、江苏工业学院院长陈志刚、中国轻工业陶瓷研究所所长占启安、　；　：　山东硅苑新材料科技有限公司副总经理杨庆伟、宜兴陶瓷协会会长史俊棠等领导也参加了会议。山东、山西、湖北、河　：　南、江西及省内４０多家企业派代表参加了本次会议。本次会议的主题是学术交流、专题报告、企业介绍，会上专家教授　：　的报告使代表们产生了极大的兴趣，大会取得了成功。　：　＾　¨　ＩＩＩＩＩＩＩ．．．ＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩｔ．．．ＩｌＩＩＩＩｔ．．．ＩＩＩ．．．Ｉ．．．ＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩ‘