陶瓷產(chǎn)品成型工藝
陶瓷成型是為了得到內(nèi)部均勻和密度高的陶瓷坯體，是陶瓷制備工藝中重要的一環(huán)，成型技術(shù)在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。
各種成型技術(shù)的比較
成型方法 | 成型用料 | 制品形狀 | 均勻性 | 效率 | 成本 |
干壓成型 | 造粒粉料 | 扁平形狀 | 偏差 | 高 | 低 |
冷等靜壓 | 造粒粉料 | 圓管圓柱形球狀體 | 好 | 中等 | 中等 |
注漿成型 | 漿料 | 復(fù)雜形狀，大尺寸 | 較好 | 較低 | 低 |
流延成型 | 漿料 | ＜1mm厚截面 | 好 | 高 | 中等 |
凝膠成型 | 漿料 | 復(fù)雜形狀，厚截面，大尺寸 | 較好 | 低 | 較低 |
直接凝固注模 | 漿料 | 復(fù)雜形狀厚截面 | 好 | 低 | 較低 |
擠出成型 | 塑性料 | 圓柱圓筒形，長(zhǎng)尺寸制品 | 中等 | 高 | 中等 |
熱壓鑄 | 黏塑性料 | 復(fù)雜形狀，小尺寸 | 較好 | 高 | 較低 |
注射成型 | 黏塑性料 | 復(fù)雜形狀，小尺寸 | 好 | 高 | 中等 |
上述各種成型方法，成型原理和過(guò)程不同，因此特點(diǎn)也不同，各自均有優(yōu)缺點(diǎn)。且陶瓷的成型技術(shù)對(duì)于制品的性能具有重要影響。陶瓷成型方法的選擇，應(yīng)當(dāng)根據(jù)制品的性能要求、形狀、尺寸、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益等綜合確定。那么，今天我們就來(lái)簡(jiǎn)要介紹一下這些陶瓷的成型方法。
一、干壓成型
干壓成型又稱模壓成型，是最常用的成型方法之一，也是手機(jī)陶瓷背板主流的成型工藝之一，小米MIX系列的陶瓷后蓋都是干壓成型的。干壓成型是將經(jīng)過(guò)造粒、流動(dòng)性好，顆粒級(jí)配合適的粉料，裝入金屬模腔內(nèi)，通過(guò)壓頭施加壓力，壓頭在模腔內(nèi)位移，傳遞壓力，使模腔內(nèi)粉體顆粒重排變形而被壓實(shí)，形成具有一定強(qiáng)度和形狀的陶瓷素坯。
影響干壓成型的主要因素：
（1）粉體性質(zhì)：粒度、粒度分布、流動(dòng)性、含水率等；
（2）粘結(jié)劑和潤(rùn)滑劑的選擇；
（3）模具設(shè)計(jì)；
（4）壓制過(guò)程中壓制力、加壓方式、加壓速度與保壓時(shí)間.
綜上，如果坯料顆粒級(jí)配合適，結(jié)合劑使用正確，加壓方式合理，干壓法也可以得到比較理想的坯體密度。
干壓成型的優(yōu)點(diǎn)：
（1）工藝簡(jiǎn)單，操作方便，周期短，效率高，便于實(shí)行自動(dòng)化生產(chǎn)。
（2）坯體密度大，尺寸精確，收縮小，機(jī)械強(qiáng)度高，電性能好。
干壓成型的缺點(diǎn)：
（1）對(duì)大型坯體生產(chǎn)有困難，模具磨損大、加工復(fù)雜、成本高。
（2）加壓只能上下加壓，壓力分布不均勻，致密度不均勻，收縮不均勻，會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂、分層等現(xiàn)象。但隨著現(xiàn)代化成型方法的發(fā)展，達(dá)一缺點(diǎn)逐漸為等靜壓成型所克服。
應(yīng)用：特別適宜于各種截面厚度較小的陶瓷制品制備，如陶瓷密封環(huán)、閥門(mén)用陶瓷閥芯、陶瓷襯板、陶瓷內(nèi)襯等。
二、流延成型
流延成型（tepe-casting）又稱為刮刀成型。它的基本原理是將具有合適黏度和良好分散性的陶瓷漿料從流延機(jī)漿料槽刀口處流至基帶上，通過(guò)基帶與刮刀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使?jié){料鋪展，在表面張力的作用下形成具有光滑上表面的坯膜，坯膜的厚度主要由刮刀與基帶之間間隙來(lái)調(diào)控。坯膜隨基帶進(jìn)入烘干室，溶劑蒸發(fā)有機(jī)黏結(jié)劑在陶瓷顆粒間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成具有一定強(qiáng)度和柔韌性的坯片，干燥的坯片與基帶剝離后卷軸待用。然后可安所需形狀切割，沖片或打孔，最后經(jīng)過(guò)燒結(jié)得到成品。
流延成型工藝可以分為非水基流延成型、水基流延成型、凝膠流延成型等。
流延成型制備陶瓷基片工藝包括漿料制備、流延成型、干燥、脫脂、燒結(jié)等工序，其中最關(guān)鍵的是漿料的制備和流延工藝的控制。
優(yōu)點(diǎn)：流延成型可制備出幾個(gè)微米至1000μm平整光滑的陶瓷薄片材料，且設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定，可連續(xù)操作，便于自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品性能一致，因此是當(dāng)今制備單層或多層薄片材料最重要和最有效的工藝。
缺點(diǎn)：粘結(jié)劑含量高，因而收縮率可達(dá)20％～21％。
應(yīng)用：獨(dú)石電容器瓷片、厚膜和薄膜電路用Al2O3基片、壓電陶瓷膜片、結(jié)構(gòu)陶瓷薄片、電容器、熱敏電阻、鐵氧體和壓電陶瓷坯體，混合集成電路基片等。
三、注射成型
陶瓷注射成型（ceramic injectionmolding，CIM），是將聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一種制備陶瓷零部件的新工藝。
陶瓷注射成型的制造過(guò)程主要包括四個(gè)環(huán)節(jié)：
（1）注射喂料的制備：將合適的有機(jī)載體與陶瓷粉末在一定溫度下混煉、干燥、造粒，得到注射用喂料；
（2）注射成型：混煉后的注射混合料于注射成型機(jī)內(nèi)被加熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎吵硇匀垠w，在一定的溫度和壓力下高速注入金屬模具內(nèi)，冷卻固化為所需形狀的坯體，然后脫模；
（3）脫脂：通過(guò)加熱或其它物理化學(xué)方法，將注射成型坯體內(nèi)的有機(jī)物排除；
（4）燒結(jié)：將脫脂后的陶瓷素坯在高溫下致密化燒結(jié)，獲得所需外觀形狀、尺寸精度和顯微結(jié)構(gòu)的致密陶瓷部件。
注射成型的優(yōu)點(diǎn)：
(1) 可近凈成型直接各種幾何形狀復(fù)雜及有特殊要求的小型陶瓷零部件，使燒結(jié)后的陶瓷產(chǎn)品無(wú)需進(jìn)行機(jī)加工或少加工，從而減少昂貴的陶瓷加工成本。
(2) 機(jī)械化和自動(dòng)化程度高，成形周期短，僅為澆注、熱壓成形時(shí)間的幾十分之一至幾百分之一，坯件的強(qiáng)度高，可自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中的管理和控制也很方便，適宜大批量生產(chǎn)。
(3) 由于粘結(jié)劑有較好的流動(dòng)性，注射成形坯件的致密度相當(dāng)均勻。
(4) 由于粉末和粘結(jié)劑的混合很均勻，粉末之間的間隙很小，燒結(jié)過(guò)程中的收縮特性基本一致，所以制備各部位密度均勻，幾何尺寸精度及表面光潔度高。
應(yīng)用：這種技術(shù)對(duì)尺寸精度高、形狀復(fù)雜的陶瓷制品的大批量生產(chǎn)最有優(yōu)勢(shì)。目前，陶瓷注射成型已廣泛用于各種陶瓷粉料和各種工程陶瓷制品的成型。通過(guò)該工藝制備的各種精密陶瓷零部件，已用于航空、汽車、機(jī)械、能源、光通訊、生命醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
四、等靜壓成型
通常所說(shuō)的等靜壓成型就是指冷等靜壓成型（coldisostatic pressing，CIP），是利用流體（水，油）作為傳遞介質(zhì)來(lái)獲得均勻靜壓力施加到材料上的一種方法。即利用液體介質(zhì)的不可壓縮性來(lái)均勻傳遞壓力性，從各個(gè)方向進(jìn)行加壓，獲得制品的成型方法。按其成型過(guò)程不同，可分為兩種形式：濕袋式和干袋式。目前大量使用的主要是濕袋法。
1
濕袋式等靜壓
濕袋式等靜壓技術(shù)是將造粒陶瓷粉或預(yù)先成型的坯體放入可變形的橡膠包套內(nèi)，然后通過(guò)液體施加各向均勻的壓力，當(dāng)壓制過(guò)程結(jié)束，再將裝有坯體的橡膠包套從容器內(nèi)取出，這是一種間斷式成型方法。
這種技術(shù)成本相對(duì)成本較低，可成型中等復(fù)雜程度的部件，且壓力可達(dá)500MPa，適用于小規(guī)模生產(chǎn)，但在一定時(shí)間內(nèi)成型制品的數(shù)量較少，壓坯尺寸和形狀不以精準(zhǔn)控，生產(chǎn)效率不高，不能連續(xù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
2
干袋式等靜壓
干袋式等靜壓是將陶瓷粉末批量地填入柔性預(yù)成型模具內(nèi)，然后施以等靜壓，由于模具被固定在設(shè)備上，當(dāng)壓制完成后，成型制品被頂出，如示意圖。
干袋式等靜壓成型周期短，模具使用壽命長(zhǎng)，特別便于進(jìn)行大規(guī)模連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)。使用的模具材料有聚氨酯合成橡膠或硅橡膠，相較于濕袋式等靜壓成型，干袋式等靜壓壓力較低，一般在200MPa內(nèi)。大家最熟悉的陶瓷火花塞目前就是用干袋式等靜壓成型，壓制時(shí)間通常只有1~2S。
等靜壓成型的優(yōu)點(diǎn)：
（1）壓力從各個(gè)方向傳遞，壓坯密度分布均勻，壓坯強(qiáng)度高；
（2）素坯密度高，均勻缺陷少，燒成收縮比一般干壓低；
（3）能壓制具有凹形、細(xì)長(zhǎng)件以及其他復(fù)雜形狀的零件；
（4）摩擦損耗小，成型壓力較低；
（5）模具成本低廉。
等靜壓成型的缺點(diǎn)：壓坯尺寸和形狀不易精確控制，生產(chǎn)率較低，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；
應(yīng)用：
（1）大型薄壁、高精度、高性能的氧化鋁陶瓷天線罩及大型壁厚、形狀復(fù)雜、帶傘棱的97%氧化鋁陶瓷高頻端子絕緣瓷套采用濕式等靜壓技術(shù)。
（2）95%氧化鋁陶瓷真空開(kāi)關(guān)滅弧室“管殼”系列產(chǎn)品、氧化鋁和氧化鋯陶瓷柱塞，以及石油鉆探用大尺寸氧化鋯陶瓷缸套等采用等靜壓技術(shù)。
（3）高壓鈉燈用透明氧化鋁陶瓷管、氧化鋁火花塞普遍使用干袋式等靜壓技術(shù)。
五、注漿成型
注漿成型是一種非常簡(jiǎn)便且靈活性很強(qiáng)的成型技術(shù)，它的基本原理是將具有較高故相含量和良好流動(dòng)性的料漿注入多孔模具（通常用石膏磨具），因?yàn)槟＞叨嗫仔运哂械牡拿?xì)管吸力，模具內(nèi)壁從漿料中吸取水分從而沿模壁形成固化的坯體，待坯體形成一定的強(qiáng)度即可脫模。
基本工藝流程為：粉末→漿料→注漿→脫模→干燥→型坯
漿料成型的主要工藝方法：空心注漿、實(shí)心注漿、壓力注漿、真空輔助注漿、離心注漿。
優(yōu)點(diǎn)：
（1）采用廉價(jià)的石膏模具，設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，適合于復(fù)雜形狀的陶瓷零部件及大尺寸陶瓷制品的制造；
（2）成型工藝控制方便、產(chǎn)品致密度高。
應(yīng)用：傳統(tǒng)陶瓷工業(yè)、現(xiàn)代精密陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品等
六、擠壓成型
擠壓成型也稱擠出成型或擠制成型，該工藝是將陶瓷粉與可提供塑性的黏土或有機(jī)黏結(jié)劑與水一起混合和反復(fù)混煉，并通過(guò)真空除氣和陳腐等工藝環(huán)節(jié)使待擠出的坯料獲得良好的塑性和均勻性，然后在擠出螺旋或柱塞的作用下，通過(guò)擠壓機(jī)嘴處的模具擠出得到所需形狀的產(chǎn)品。
擠壓法成型對(duì)泥料的要求：
（1）粉料細(xì)度和形狀：細(xì)度要求較細(xì)，外形圓潤(rùn)，以長(zhǎng)時(shí)間小磨球球磨的粉料為好。
（2）溶劑、增塑劑、粘結(jié)劑等：用量要適當(dāng)，同時(shí)必須使泥料高度均勻，否則擠壓的坯體質(zhì)量不好。
擠壓成型法的優(yōu)點(diǎn)：
（1）污染小，操作易于自動(dòng)化，可連續(xù)生產(chǎn)，效率高。
（2）適合管狀、棒狀產(chǎn)品的生產(chǎn)。但擠嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高。
缺點(diǎn)：由于溶劑和結(jié)合劑較多，因此坯體在干燥燒成時(shí)收縮較大，性能受到影響。容易出現(xiàn)翹曲變形、分層結(jié)構(gòu)、撕裂、開(kāi)裂、固液分離、氣孔及夾雜物等缺陷。
應(yīng)用：擠壓成型適用于制造截面一致的陶瓷產(chǎn)品，特別是對(duì)長(zhǎng)寬比高的管狀或棒狀產(chǎn)品，可用于各種氧化物陶瓷、碳化物及氮化物等非氧化物陶瓷制品的成型。目前廣泛應(yīng)用于制備陶瓷爐管、電磁絕緣子、催化劑載體或支撐體、熱交換器管、汽車尾氣過(guò)濾用蜂窩陶瓷載體，陶瓷棍棒等各種陶瓷產(chǎn)品，同時(shí)也可用于片狀電容器、磁性材料基板、電子基片的成型。
七、熱壓鑄成型
熱壓鑄成型是利用石蠟受熱熔化和遇冷凝固的特點(diǎn)，將無(wú)可塑性的瘠性陶瓷粉料與熱石蠟液均勻混合形成可流動(dòng)的漿料，在一定壓力下注入金屬模具中成型，冷卻待蠟漿凝固后脫模取出成型好的坯體。坯體經(jīng)適當(dāng)修整，埋入吸附劑中加熱進(jìn)行脫蠟處理，最后經(jīng)燒結(jié)成最終制品。
熱壓鑄成型與一般注漿成型法的差別：
它并不使用溶劑，而是利用粘結(jié)劑—石蠟的高溫流變特性，進(jìn)行壓力下的鑄造成形，然后經(jīng)過(guò)高溫脫蠟和燒結(jié)制成陶瓷。
優(yōu)點(diǎn)：
（1）可成型形狀復(fù)雜的陶瓷制品，尺寸精度高，幾乎不需要后續(xù)加工，是制作異形陶瓷制品的主要成型工藝；
（2）設(shè)備價(jià)廉、模具磨損小，生產(chǎn)成本相對(duì)較低；
（3）操作方便，勞動(dòng)強(qiáng)度不大，生產(chǎn)效率高；
（4）對(duì)原料適用性強(qiáng)，如氧化物、非氧化物、復(fù)合原料及各種礦物原料均可適用。
缺點(diǎn)：漿料含蠟量高、成型壓力低，容易導(dǎo)致產(chǎn)品密度偏低，排蠟時(shí)間長(zhǎng)。
（1）氣孔率高、內(nèi)部缺陷相對(duì)較多、密度低，制品力學(xué)性能和性能穩(wěn)定性相對(duì)較差；
（2）需要脫蠟環(huán)節(jié)，增加了能源消耗和生產(chǎn)時(shí)間。因受脫蠟限制，難以制備厚壁制品；
（3）不適合制備大尺寸陶瓷制品；
（4）難以制造高純度陶瓷制品，限制了該工藝在高端技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
應(yīng)用：各種復(fù)雜形狀的工程陶瓷零部件。
八、凝膠注模成型
凝膠注模成型是近年來(lái)發(fā)明的一種新的陶瓷成型技術(shù)。這一方法首先是將陶瓷粉料分散于含有有機(jī)單體的溶液中，制備成高固相體積分?jǐn)?shù)的懸浮體（＞50%），然后注入一定形狀的模具中，在一定的催化、溫度條件下，有機(jī)單體聚合，體系凝膠，從而導(dǎo)致懸浮體原位凝固，最后經(jīng)過(guò)干燥可得較高強(qiáng)度的坯體。
在從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程中，坯體沒(méi)有收縮或收縮很小，介質(zhì)的量沒(méi)有改變。它可以以凈尺寸制造復(fù)雜形狀的陶瓷部件，具有良好的坯體均勻性和高強(qiáng)度，其操作工藝簡(jiǎn)單、坯體中有機(jī)物雜質(zhì)含量少，而且陶瓷燒結(jié)體性能優(yōu)良。
凝膠注模成型分為兩類：一種是水溶性凝膠注模成型，另一種是非水溶性凝膠注模成型。前者適用于大多數(shù)陶瓷成型場(chǎng)合，后者主要適用于那些與水發(fā)生反應(yīng)的系統(tǒng)的成型。
優(yōu)點(diǎn)：
1) 適用陶瓷粉末能力強(qiáng)，對(duì)粉體無(wú)特殊要求；
2) 可實(shí)現(xiàn)近凈尺寸成型，可制備出大尺寸和復(fù)雜形狀及壁厚的部件，模具可選用多種材料；
3) 成型周期短，濕坯和干坯強(qiáng)度高，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)成型工藝所制的坯體，可進(jìn)行機(jī)械加工；
4) 坯體有機(jī)物含量低；
5) 坯體和燒結(jié)體性能均勻性好；
6) 工藝過(guò)程易控制；
7) 工藝過(guò)程和操作較為簡(jiǎn)便，設(shè)備簡(jiǎn)易，成本低廉。
缺點(diǎn)：
1）成型與干燥過(guò)程中可能產(chǎn)生氣泡和裂紋等缺陷；
2）有機(jī)單體的毒性問(wèn)題.
應(yīng)用：
粗顆粒體系陶瓷、高級(jí)耐火材料、陶瓷復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、功能與生物陶瓷、多孔材料及粉末冶金等
九、直接凝固注模成型
直接凝固注模成型是是將膠體化學(xué)和陶瓷工藝融為一體的一種新型的陶瓷凈尺寸膠態(tài)成型方法，該技術(shù)主要是采用采用生物酶催化陶瓷漿料中相應(yīng)的反應(yīng)底物，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而改變漿料PH值或壓縮雙電層，使?jié){料中固體顆粒間的排斥力消除，產(chǎn)生范德華吸引力，可是澆注到非孔模具內(nèi)的高固相含量、低黏度的陶瓷漿料產(chǎn)生原味凝固，凝固后的陶瓷濕坯有足夠的強(qiáng)度進(jìn)行脫模。
優(yōu)點(diǎn)：
（1）成型過(guò)程中不需要或只需要少量有機(jī)添加劑（少于1%），無(wú)毒性，所以坯體不需脫脂就可直接燒結(jié)；
（2）坯體結(jié)構(gòu)均勻，相對(duì)密度高（一般達(dá)55%~65%），可成型精度高、形狀復(fù)雜的陶瓷部件；
（3）模具材料選擇范圍廣，模具成本低.
缺點(diǎn)：
（1）成型所以陶瓷粉末范圍有局限性
（2）陶瓷坯體強(qiáng)度比較低，不能進(jìn)行素坯加工
應(yīng)用：可應(yīng)用于制備氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、多相復(fù)合陶瓷等
十、固體無(wú)模成型
陶瓷無(wú)模成型（solid freeformfabrication，SFF）的基本原理及過(guò)程是：直接利用計(jì)算機(jī)CAD設(shè)計(jì)結(jié)果，將復(fù)雜的三維立體構(gòu)件經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件切片分割處理，形成計(jì)算機(jī)可執(zhí)行象素單元文件；然后通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出的外部設(shè)備，將要成型的陶瓷粉體快速形成實(shí)際的像素單元，一個(gè)一個(gè)單元疊加的結(jié)果即可直接成型出所需要的三維立體構(gòu)件。
目前SFF技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為以下6種：
（1）激光選區(qū)燒結(jié)法；
（2）層片疊加成型法；
（3）熔化覆蓋成型法；
（4）立體印刷成型法；
（5）三維打印成型法；
（6）噴墨打印成型法.
與傳統(tǒng)成型方法相比，固體快速無(wú)模成型技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）成型過(guò)程中無(wú)需任何模具或模型參與，使過(guò)程更加集成化，制造周期縮短，效率得以提高；
（2）成型體幾何形狀及尺寸可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理系統(tǒng)隨時(shí)改變，無(wú)需等待模具的設(shè)計(jì)制造，縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間；
（3）由于外部成型打印像素單元尺寸可小至微米級(jí)，因此可制備用于生命科學(xué)和小衛(wèi)星的微型電子陶瓷器件；
（4）與現(xiàn)代智能技術(shù)的結(jié)合，進(jìn)一步提高陶瓷制備工業(yè)水平，使此領(lǐng)域與其他工業(yè)制造領(lǐng)域的進(jìn)步相匹配.
缺點(diǎn)：
（1）設(shè)備價(jià)格高，設(shè)備的分層及軟件封閉性強(qiáng)，還不存在通用的系統(tǒng)軟件；
（2）成型材料的密度和成型性能還不太理想，部件質(zhì)量和精度常常不能滿足需要；
（3）材料技術(shù)有專利保護(hù)，一般成型材料都比較貴.
應(yīng)用：機(jī)械制造、高分子材料、陶瓷等
