中國粉體網訊 高技術陶瓷（如釔鋁石榴石（YAG）、氧化鋯（ZrO2）、碳化硅（SiC）等）因獨特的光學、電學、力學、熱學及生物化學性能被廣泛應用于激光、5G通信、航天、新能源、生物醫學等眾多戰略領域。
隨著高技術陶瓷產業的快速發展，對其成型質量提出了更高要求。尤其是近年來迅速發展的新能源電池、電子通訊、生物醫療等眾多領域對精密結構、極限尺寸的陶瓷零部件需求迫切。成型技術成為高技術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，隨著環境保護、清潔生產成為發展趨勢，特別是我國近期提出了“碳中和”的戰略舉措，水系膠態成型技術成為近年來發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、漿料流變學、陶瓷成型工藝及成型設備精密控制技術相結合的陶瓷成型技術。該技術的突出優點主要有：
1）以水作為溶劑，相較于有機溶劑，無毒、無污染、低成本，符合環保要求；
2）可近凈成型各種高精度、復雜結構的陶瓷零部件，燒結后陶瓷收縮率小，幾乎無需后續加工，可以提高產品生產效率，降低成本；
3）工藝簡單、實用性強，該技術易重復，自動化與連續化程度高，易于產業化。
因此，具有清潔環保、高精高效的水系膠態成型技術在高技術陶瓷眾多成型技術中脫穎而出，受到學者們廣泛關注，發展前景十分廣闊。
目前，典型的水系膠態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。
水系膠態成型制備的高技術陶瓷
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單體、分散劑、引發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生原位聚合反應，形成具有一定機械強度素坯的成型方式。相比于其他成型技術，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等各種功能結構陶瓷，能夠近凈尺寸成型各種復雜結構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點是成型后的坯體強度較高，可直接對素坯進行機械加工，進一步實現陶瓷零件的凈尺寸精密成型，這是其他成型技術難以實現的。
隨著對凝膠注模成型技術的深入研究及其在單組元陶瓷材料方面的成功應用，人們開始了復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、復合分散劑的選擇等)來提高復相陶瓷漿料的固相體積分數及均勻性，取得較為滿意的效果。凝膠注模成型技術被用來成型ZrO2-Al2O3陶瓷和Al2O3/SiCp等復合陶瓷，還可用來制備納米復相陶瓷。
2.水系流延成型
水系流延成型技術是將粉體分散于含有分散劑的水溶液中，通過粘結劑分子的長鏈纏繞作用形成網絡結構粘結成型，最終得到具有一定強度及韌性的素坯。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厚的優勢。無毒性、不易燃、價格低廉，成為流延成型技術未來發展趨勢。目前，水系流延成型技術已被應用于多層復合透明陶瓷、固體氧化物燃料電池電解質、電容器基板及其他高技術陶瓷的生產。
水系流延成型制備的透明陶瓷及Al2O3素坯
在透明陶瓷成型應用領域，上海硅酸鹽研究所、阿爾弗雷德大學等高校學者均通過該成型技術制備出質量良好、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薄膜（如SSZ、YSZ）。因此，水系流延成型技術已經被廣泛應用于不同高技術陶瓷的成型。
3.凝膠流延成型
凝膠流延成型是清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室針對水系流延成型存在的問題而發明的。該方法結合了水系和有機流延的特點，在一定溫度和保護氣氛下交聯劑在極短時間內固化，極大地減少了漿料量中有機物的使用量（＜10%，質量分數），提高了漿料的固含量（＞75%，質量分數），從而增大了素坯密度（＞60%），進而獲得了近乎無干燥收縮、高質量（表面平整光滑、強度高、韌性好）的陶瓷薄片素坯。
水系凝膠流延技術作為一種幾乎無缺陷的陶瓷成型技術，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薄膜及高強度高密度的陶瓷基板材料的成型。目前已采用此成型技術成功制備出Al2O3、Si3N4、壓電陶瓷（PTZ）、氧化釔穩定氧化鋯（YSZ）等薄片陶瓷。與水系流延成型技術相比，該法得到的陶瓷制品在性能及微結構方面均有了較大的提升。
小結
隨著“十四五”頒布的一系列節能減排、綠色環保的規劃，國家開始高度重視水系環保技術的發展。水系膠態成型技術因其突出的環保優勢將在眾多戰略新興產業中獲得廣泛關注，對其開展系統研究和產業化應用具有十分重要的意義。
目前，清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室是國內較早研發高技術陶瓷水系膠態成型單位之一，在其成型理論、材料和技術等方面都有深入研究。中國科學院上海硅酸鹽研究所首次通過水系流延成型制備YAG多層復合透明陶瓷；郗曉倩團隊對凝膠注模成型技術也進行了系統的研究，成功使用凝膠注模成型技術制備出用于激光增益介質的大尺寸長棒狀、薄片狀透明陶瓷。除了高校，國內專門從事高技術陶瓷水系膠態成型的企業也日益增多。
在國家和研究人員加大投入下，我國的陶瓷水系成型技術必將取得重大突破，采用該技術制備的高技術陶瓷必將在軍事武器、航空航天、生物醫療等領域得到廣泛應用。
來源：
馬征：氧化鋁陶瓷精密部件制備技術的研究
郗曉倩等：高技術陶瓷膠態成型技術及其產業應用
王小鋒：凝膠注模成型技術的研究與進展
（中國粉體網編輯整理/空青）
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