釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）具有優(yōu)良的耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出顯著的抗氧化還原能力，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶汽車、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。致密的YSZ陶瓷憑借其較高的O^2?傳導(dǎo)能力，被應(yīng)用于氧傳感器、氮氧化物傳感器及固體氧化物燃料電池，是當(dāng)前使用最經(jīng)典的高溫固體電解質(zhì)之一。

釔穩(wěn)定氧化鋯制作的光纖連接器陶瓷插芯

目前，釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷也成為了半導(dǎo)體材料的一種研究方向，在高溫共燒陶瓷工藝（HTCC）制備氧化鋯厚膜陶瓷器件的過(guò)程中，流延添加劑（黏結(jié)劑與塑化劑）是影響陶瓷性能的重要因素之一。添加劑含量對(duì)釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）流延漿料黏度、膜帶厚度，及陶瓷的收縮率、相對(duì)密度、電導(dǎo)率及機(jī)械強(qiáng)度都有影響。

流延成型工藝與流程

當(dāng)前，陶瓷器件成型工藝有干壓成型、擠壓成型、流延成型等。其中，流延成型工藝廣泛應(yīng)用于磁帶、塑料和造紙等行業(yè)之中，同時(shí)也是平板式氧傳感器生產(chǎn)的主要成型工藝，具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)速度快、微觀結(jié)構(gòu)均勻、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，是制備大面積、薄、平的陶瓷或金屬部件的先進(jìn)工藝。目前有研究人員利用流延成型制備固體電解質(zhì)與加熱電極間的Al₂O₃絕緣層，也有利用流延成型制備YSZ基片作為氧傳感器的固體電解質(zhì)基底。

柔韌如紙張的陶瓷生帶

流延成型的工藝流程如下：首先將陶瓷粉體與分散劑加入溶劑（水或有機(jī)溶劑）中，通過(guò)球磨或超聲波振蕩打開(kāi)顆粒團(tuán)聚，并使溶劑潤(rùn)濕粉體，再加入黏結(jié)劑和增塑劑，通過(guò)二次球磨得到穩(wěn)定、均一的漿料；再將漿料在流延機(jī)上進(jìn)行成型得到素坯；然后進(jìn)行干燥，使溶劑蒸發(fā)，黏結(jié)劑在陶瓷粉末之間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，得到素坯膜；接著對(duì)素坯膜進(jìn)行機(jī)加工，得到所需要的特定形狀；最后通過(guò)排膠和燒結(jié)處理得到所需要的成品。

流延成型法工藝流程

流延成型工藝分類

流延成型工藝根據(jù)漿料中所使用的溶劑，可分為有機(jī)流延體系和水基流延體系兩種。

水基流延體系以水為溶劑，成功地解決了傳統(tǒng)流延體系中有機(jī)溶劑的缺點(diǎn)，具有成本低、無(wú)毒、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。但由于水基流延存在的干燥時(shí)間緩慢、膜帶強(qiáng)度低等問(wèn)題，會(huì)對(duì)HTCC工藝中的后續(xù)操作產(chǎn)生影響。

有機(jī)流延體系則是流延成型技術(shù)中最早研究與應(yīng)用的體系，該體系具有添加劑選擇范圍廣泛、溶劑揮發(fā)快、干燥時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)流延體系中包含粉體、有機(jī)溶劑、分散劑、黏結(jié)劑、塑化劑。有機(jī)溶劑的作用是溶解分散劑、黏結(jié)劑等其他流延成分；分散劑的作用是將粉體顆粒分散并保持其均勻懸浮性；黏結(jié)劑可以將粉體顆粒聚合在一起，由于其能夠決定膜帶的特性，因而是流延配方中除粉體外第二個(gè)需要選擇的物質(zhì)；塑化劑則可作用于黏結(jié)劑，增強(qiáng)其可塑性。

不同種類和比例的溶劑、分散劑與添加劑組合產(chǎn)生了不同的流延配方。其中，合理的流延配方能夠制備高質(zhì)量的流延漿料，提高流延膜帶的品質(zhì)，有助于制備高性能YSZ氧傳感器固體電解質(zhì)。通過(guò)優(yōu)化流延漿料配方中黏結(jié)劑和塑化劑的用量，獲得能夠提升漿料與膜帶的質(zhì)量的流延配方，從而制備更高的相對(duì)密度和電導(dǎo)率的YSZ陶瓷。

YSZ陶瓷流延成型的黏結(jié)劑和塑化劑

一、黏結(jié)劑

黏結(jié)劑是為了分散于陶瓷粉粒之間，連接顆粒，使流延片具有一定的強(qiáng)度和可操作性。選擇黏結(jié)劑需要考慮的因素有：（1）素坯的厚度；（2）所選用溶劑的類型及其匹配性，應(yīng)不妨礙溶劑揮發(fā)和不產(chǎn)生氣泡；（3）易于燒除，不留殘余物；（4）能起到穩(wěn)定漿料和抑制顆粒沉降的作用；（5）有較低的塑性轉(zhuǎn)變溫度，以確保在室溫下不發(fā)生凝結(jié)；（6）與襯墊材料不相粘和易于分離。

用于流延成型的黏結(jié)劑主要有纖維素類、丙烯酸樹(shù)脂類及乙烯基類三種。纖維素類黏結(jié)劑只有增稠性能卻難以除泡，丙烯酸樹(shù)脂類則黏結(jié)性能較低。而在乙烯基類黏結(jié)劑中，聚乙烯醇（PVA）是水溶性的，控制其可燃性的通常為水基溶劑體系，聚乙烯醇縮丁醛（PVB）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，容易與復(fù)雜的化合物進(jìn)行反應(yīng)或配對(duì)，相對(duì)于其他黏結(jié)劑，PVB黏結(jié)劑可以與YSZ很好地匹配，且PVB具有良好的柔韌性，可以適應(yīng)YSZ陶瓷的熱膨脹系數(shù)。綜上所述，目前聚乙烯醇縮丁醛（PVB）是最常用的黏結(jié)劑，適合YSZ陶瓷膜帶的制備。

二、增塑劑

增塑劑是指在干燥或半干燥狀態(tài)下軟化黏結(jié)劑的添加劑。與黏結(jié)劑相比，它們是分子量較低的有機(jī)物，可溶于同一種溶劑中。常用的增塑劑有甘油、聚乙烯和鄰苯二甲酸丁基芐酯等。增塑劑的作用機(jī)理是縮短或部分溶解黏結(jié)劑主鏈，達(dá)到降低黏結(jié)劑玻璃轉(zhuǎn)化溫度的目的，從而使得聚合物長(zhǎng)鏈可以無(wú)斷裂地伸長(zhǎng)或縮短，陶瓷薄片呈現(xiàn)出一定彈性行為。同時(shí)，增塑劑的加入提高了聚合物鏈與鏈之間的相互作用，避免了鏈與鏈之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，有利于陶瓷薄片中粉體的遷移，達(dá)到了陶瓷薄片生坯可以發(fā)生彎曲而不折斷，為后續(xù)干燥和加工工序奠定了基礎(chǔ)。

目前，鄰苯二甲酸丁基芐酯和PVB具有很好的兼容性，可以保持膠體的穩(wěn)定性，使得YSZ流延漿料中塑化劑和粉體的溶解混合更加均勻，作為塑化劑在流延干燥中十分穩(wěn)定，因此適合用于制備YSZ陶瓷膜帶。

應(yīng)用與展望

目前，有研究人員選擇聚乙烯醇縮丁醛PVB作為黏結(jié)劑、鄰苯二甲酸丁基芐酯為塑化劑，通過(guò)流延工藝制備YSZ陶瓷膜帶，并研究對(duì)流延膜帶及燒結(jié)后的YSZ陶瓷性能的影響。結(jié)果表明，添加劑含量的增加會(huì)使流延漿料黏度上升、膜帶厚度下降；并且燒結(jié)過(guò)程中陶瓷線收縮率與熱失重增大，燒結(jié)后的陶瓷密度降低，抗彎曲強(qiáng)度及電導(dǎo)率下降。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，流延成型工藝已經(jīng)在陶瓷工業(yè)，特別是在電子工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著時(shí)間的推移，流延成型方法將變得更加成熟，未來(lái)我們有望看到更多工藝改進(jìn)和實(shí)際應(yīng)用。總結(jié)來(lái)說(shuō)，釔穩(wěn)定氧化鋯流延成型工藝是一種具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)，值得我們進(jìn)一步研究和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

【1】王曉昳,王敏,鄭楊,等.YSZ/Al2O3/YSZ多層陶瓷疊層制備方法的研究[J].硅酸鹽通報(bào),2012,，

【2】韓耀,李海燕,謝志鵬,等.燒結(jié)溫度對(duì)振蕩壓力燒結(jié)工藝制備高性能氧化鋯陶瓷的影響[J].稀有金屬材料與工程,2020

【3】王杰,蔣曉晴等.黏結(jié)劑與塑化劑含量對(duì)YSZ流延膜帶制備及陶瓷電學(xué)性能的影響[J].陶瓷學(xué)報(bào),2023

粉體圈Alex

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復(fù)制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責(zé)任。