中國粉體網(wǎng)訊 高技術(shù)陶瓷（如釔鋁石榴石（YAG）、氧化鋯（ZrO2）、碳化硅（SiC）等）因獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)及生物化學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于激光、5G通信、航天、新能源、生物醫(yī)學(xué)等眾多戰(zhàn)略領(lǐng)域。
隨著高技術(shù)陶瓷產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對其成型質(zhì)量提出了更高要求。尤其是近年來迅速發(fā)展的新能源電池、電子通訊、生物醫(yī)療等眾多領(lǐng)域?qū)芙Y(jié)構(gòu)、極限尺寸的陶瓷零部件需求迫切。成型技術(shù)成為高技術(shù)陶瓷制備的重要部分，其很大程度上決定了坯體的均勻性和制備復(fù)雜形狀部件的能力，并直接影響到材料的可靠性和最終陶瓷部件的成本。
近些年，隨著環(huán)境保護(hù)、清潔生產(chǎn)成為發(fā)展趨勢，特別是我國近期提出了“碳中和”的戰(zhàn)略舉措，水系膠態(tài)成型技術(shù)成為近年來發(fā)展較快的成型手段之一。它是以水為溶劑，將陶瓷粉體制備技術(shù)、漿料流變學(xué)、陶瓷成型工藝及成型設(shè)備精密控制技術(shù)相結(jié)合的陶瓷成型技術(shù)。該技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)主要有：
1）以水作為溶劑，相較于有機(jī)溶劑，無毒、無污染、低成本，符合環(huán)保要求；
2）可近凈成型各種高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零部件，燒結(jié)后陶瓷收縮率小，幾乎無需后續(xù)加工，可以提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低成本；
3）工藝簡單、實(shí)用性強(qiáng)，該技術(shù)易重復(fù)，自動化與連續(xù)化程度高，易于產(chǎn)業(yè)化。
因此，具有清潔環(huán)保、高精高效的水系膠態(tài)成型技術(shù)在高技術(shù)陶瓷眾多成型技術(shù)中脫穎而出，受到學(xué)者們廣泛關(guān)注，發(fā)展前景十分廣闊。
目前，典型的水系膠態(tài)成型方法主要包括凝膠注模成型、水系流延成型、凝膠流延成型等。
水系膠態(tài)成型制備的高技術(shù)陶瓷
1.凝膠注模成型
凝膠注模是指將陶瓷粉體分散于含有有機(jī)單體、分散劑、引發(fā)劑及催化劑的水溶液中，然后注入模具，在一定溫度下單體發(fā)生原位聚合反應(yīng)，形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度素坯的成型方式。相比于其他成型技術(shù)，凝膠注模是一種普適工藝，適用于制備氧氮化鋁（ＡlON）、SiC、氮化鋁（AlN）、YAG等各種功能結(jié)構(gòu)陶瓷，能夠近凈尺寸成型各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零件及具有極限尺寸的棒狀或片狀陶瓷等。凝膠注膜最突出的優(yōu)點(diǎn)是成型后的坯體強(qiáng)度較高，可直接對素坯進(jìn)行機(jī)械加工，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)陶瓷零件的凈尺寸精密成型，這是其他成型技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。
隨著對凝膠注模成型技術(shù)的深入研究及其在單組元陶瓷材料方面的成功應(yīng)用，人們開始了復(fù)合材料成型的研究探索工作，通過各種各樣的手段(諸如粉體表面改性、超聲波輔助分散、復(fù)合分散劑的選擇等)來提高復(fù)相陶瓷漿料的固相體積分?jǐn)?shù)及均勻性，取得較為滿意的效果。凝膠注模成型技術(shù)被用來成型ZrO2-Al2O3陶瓷和Al2O3/SiCp等復(fù)合陶瓷，還可用來制備納米復(fù)相陶瓷。
2.水系流延成型
水系流延成型技術(shù)是將粉體分散于含有分散劑的水溶液中，通過粘結(jié)劑分子的長鏈纏繞作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)粘結(jié)成型，最終得到具有一定強(qiáng)度及韌性的素坯。水系流延成型中，通過控制刮刀高度可以制備出厚度可控的薄膜素坯，在制備超薄大尺寸陶瓷制品方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。無毒性、不易燃、價格低廉，成為流延成型技術(shù)未來發(fā)展趨勢。目前，水系流延成型技術(shù)已被應(yīng)用于多層復(fù)合透明陶瓷、固體氧化物燃料電池電解質(zhì)、電容器基板及其他高技術(shù)陶瓷的生產(chǎn)。
水系流延成型制備的透明陶瓷及Al2O3素坯
在透明陶瓷成型應(yīng)用領(lǐng)域，上海硅酸鹽研究所、阿爾弗雷德大學(xué)等高校學(xué)者均通過該成型技術(shù)制備出質(zhì)量良好、透光率高的透明陶瓷。此外，研究人員還采用水基流延成型技術(shù)成功制備出孔隙分布均勻、滲透性好的多孔陶瓷（ZrO2）以及具有較高電流密度和輸出功率的固體氧化物燃料電池電解質(zhì)薄膜（如SSZ、YSZ）。因此，水系流延成型技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不同高技術(shù)陶瓷的成型。
3.凝膠流延成型
凝膠流延成型是清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對水系流延成型存在的問題而發(fā)明的。該方法結(jié)合了水系和有機(jī)流延的特點(diǎn)，在一定溫度和保護(hù)氣氛下交聯(lián)劑在極短時間內(nèi)固化，極大地減少了漿料量中有機(jī)物的使用量（＜10%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)），提高了漿料的固含量（＞75%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)），從而增大了素坯密度（＞60%），進(jìn)而獲得了近乎無干燥收縮、高質(zhì)量（表面平整光滑、強(qiáng)度高、韌性好）的陶瓷薄片素坯。
水系凝膠流延技術(shù)作為一種幾乎無缺陷的陶瓷成型技術(shù)，制得的陶瓷薄片致密度高、氣孔率低、成型尺寸大，且光電性能較好，非常適用于固體電解質(zhì)薄膜及高強(qiáng)度高密度的陶瓷基板材料的成型。目前已采用此成型技術(shù)成功制備出Al2O3、Si3N4、壓電陶瓷（PTZ）、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）等薄片陶瓷。與水系流延成型技術(shù)相比，該法得到的陶瓷制品在性能及微結(jié)構(gòu)方面均有了較大的提升。
小結(jié)
隨著“十四五”頒布的一系列節(jié)能減排、綠色環(huán)保的規(guī)劃，國家開始高度重視水系環(huán)保技術(shù)的發(fā)展。水系膠態(tài)成型技術(shù)因其突出的環(huán)保優(yōu)勢將在眾多戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)中獲得廣泛關(guān)注，對其開展系統(tǒng)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有十分重要的意義。
目前，清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)較早研發(fā)高技術(shù)陶瓷水系膠態(tài)成型單位之一，在其成型理論、材料和技術(shù)等方面都有深入研究。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所首次通過水系流延成型制備YAG多層復(fù)合透明陶瓷；郗曉倩團(tuán)隊(duì)對凝膠注模成型技術(shù)也進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，成功使用凝膠注模成型技術(shù)制備出用于激光增益介質(zhì)的大尺寸長棒狀、薄片狀透明陶瓷。除了高校，國內(nèi)專門從事高技術(shù)陶瓷水系膠態(tài)成型的企業(yè)也日益增多。
在國家和研究人員加大投入下，我國的陶瓷水系成型技術(shù)必將取得重大突破，采用該技術(shù)制備的高技術(shù)陶瓷必將在軍事武器、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
來源：
馬征：氧化鋁陶瓷精密部件制備技術(shù)的研究
郗曉倩等：高技術(shù)陶瓷膠態(tài)成型技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
王小鋒：凝膠注模成型技術(shù)的研究與進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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