氧化鋁陶瓷是以氧化鋁為主體的無機非金屬材料，具有良好的傳導(dǎo)性、很高的機械強度和耐高溫性。是一種用途廣泛的陶瓷。得益于其優(yōu)越的性能，在現(xiàn)代工業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。我們已經(jīng)非常了解氧化鋁陶瓷的生產(chǎn)工藝流程了，從制粉到成型，從燒結(jié)到精加工。然而在這一環(huán)環(huán)以氧化鋁為主體的加工過程中，存在著這么一些化學(xué)材料，它們往往添加量小，甚至在加工到一半時還要被去除，卻能以四兩撥千斤的氣勢給氧化鋁陶瓷的制備過程帶來非凡的效果。這些魔法般的材料，便是本期文章關(guān)注的重點——氧化鋁陶瓷制備過程中所用到的各類化學(xué)助劑。

氧化鋁陶瓷制備過程中所用到的各類化學(xué)助劑及其添加環(huán)節(jié)

一、分散劑

分散劑的主要作用是將固體顆粒分散在液體介質(zhì)中，避免顆粒的聚集和沉淀，這對于一些顆粒非常細小的物質(zhì)尤為重要，因為細小的顆粒更容易聚集并失去分散狀態(tài)。

（1）原理

通常當(dāng)固體顆粒添加到任何液體介質(zhì)中時，由于分子內(nèi)力，它們往往會相互吸引，分散劑的作用是最初將這些顆粒彼此分離并連續(xù)避免進一步團聚。首先，將基團吸附到顏料和填料表面，它們與存在于顆粒表面的化學(xué)基團形成牢固的物理鍵，即所謂的錨定位點。其次，可溶性尾部在固體顆粒周圍形成一層膜，防止分散的顆粒再次粘合在一起，并確保膠體穩(wěn)定性。這些對抗粒子自然吸引力的排斥力有兩種：①靜電排斥：粒子表面帶同等電荷，它們相互排斥；②空間排斥：尾部在固體顆粒周圍形成一層膜，防止顆粒相互碰撞。

分散劑物理化學(xué)原理

對于無機粉體所使用的分散劑，由于材料具備表面極性相對較高、顆粒較粗糙、比表面積較小的特點，推薦使用分子量較低、顆粒親和基團較少類型的分散劑，如陰離子型分散劑（羧酸鹽類、磷酸酯類、磺酸鹽類等）。當(dāng)然，我們也要依照具體工藝要求，比如溶劑是水相/油相，是/否含鈉鹽等，來優(yōu)化分散劑的選擇。

常用分散劑選擇方案

（2）應(yīng)用環(huán)節(jié)

-制粉-均相沉淀法

均相溶液中的沉淀過程是晶核形成，然后聚集長大，最后從溶液中析出的過程，通常是非平衡態(tài)的，但如果能夠使沉淀劑在均相溶液中的濃度降低，甚至是緩慢地生成，那么就會均勻地生成大量的微小晶核，最終形成的細小沉淀顆粒會均勻地分散在整個溶液當(dāng)中，而且會在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持一種平衡狀態(tài)，這種獲得沉淀的方法稱為均相沉淀法。

均相沉淀法由于原料成本低，設(shè)備簡單，工藝條件易于控制等優(yōu)勢，在亞微米級球形氧化物粉體制備中較為常用。但在制備氧化鋁球形粉體時，仍存在粉體團聚問題。采用分散劑（表面活性劑）來控制粉體形貌和消除硬團聚是最經(jīng)濟、應(yīng)用較為廣泛的方法。

-制粉-球磨

研究表明，采用晶粒細小、比表面積大、 表面活性高的超細氧化鋁粉料，由于粉末顆粒間擴散距離短，僅需較低的燒結(jié)溫度和燒結(jié)活化能。因此，在球磨環(huán)節(jié)如果能夠有效降低氧化鋁粉末的粒度，對后續(xù)燒結(jié)環(huán)節(jié)和最終制備氧化鋁陶瓷的性能具有重要影響。

而在球磨過程中加入適量的分散劑（助磨劑）可以提高粉碎效率，減少球磨機研磨時間，得到粒徑更小的產(chǎn)品。

-成型-流延成型

流延成型又稱為刮刀成型。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漿料槽刀口處流至基帶上，通過基帶與刮刀的相對運動使?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調(diào)控。

在漿料配制過程中，粉體的分散性尤為重要。對于水系流延成型而言，常用的分散劑包括聚丙烯酸（PAA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚丙烯酰胺。

-成型-凝膠注模成型

凝膠注模成型技術(shù)將傳統(tǒng)的粉體成型工藝與有機聚合物化學(xué)結(jié)合，將高分子單體聚合的方法靈活地引入到粉體成型領(lǐng)域中，通過制備低黏度、高固相體積分數(shù)的懸浮液來實現(xiàn)凈尺寸成型高強度、高密度均勻坯體。其基本思想是采用具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子物質(zhì)將分散均勻的粉體懸浮液中的顆粒包裹使之原位固定，從而得到具有粉體與高分子物質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的坯體。

目前，凝膠注模成型技術(shù)的研究重點之一是研究高固相體積分數(shù)、低黏度懸浮漿料的制備，特別是多組元漿料的制備，這時就需要針對體系來選取合適的分散劑。

二、粘結(jié)劑

凡是能把同種或不同種的固體（或粉體）材料表面連接在一起的媒介物質(zhì)統(tǒng)稱為粘結(jié)劑。通過粘結(jié)劑的粘接力使固體表面連接在一起的方法叫粘結(jié)。

（1）原理

粘結(jié)是一門不同材料界面間接觸后相互作用的界面科學(xué)課題，諸如被粘物與粘料的界面張力、表面自由能、官能基團性質(zhì)、界面間反應(yīng)等都影響粘結(jié)。現(xiàn)有的粘結(jié)理論包括吸附理論、化學(xué)鍵形成理論、弱界層理論、擴散理論、靜電理論、機械作用力理論等，具體的理論可參考其他專著，本文不再展開。

粘結(jié)劑的作用過程

根據(jù)粘結(jié)劑的材料類型，可以分為有機粘合劑（環(huán)氧樹脂、有機硅、酚醛樹脂、丙烯酸類等）和無機粘結(jié)劑（硅酸鹽類、磷酸鹽類、鋁酸鹽等）。針對氧化鋁等無機粉體，通常可使用一定含量的聚乙烯醇（PVA）、阿拉伯樹膠、聚乙二醇作為粘結(jié)劑。

（2）應(yīng)用環(huán)節(jié)

-成型-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。將經(jīng)過造粒、流動性好，顆粒級配合適的粉料，裝入金屬模腔內(nèi)，通過壓頭施加壓力，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，形成具有一定強度和形狀的陶瓷素坯。

在干壓成型過程中，粘結(jié)劑主要起粘合作用，增大假顆粒粒徑，增加顆粒強度。若添加不當(dāng)，那么干壓成型時將很難獲得高致密度的坯體。干法成型粘結(jié)劑的選擇要考慮以下幾個因素：熱分解性、易壓碎性、強度、脫模性，以及粉體種類。在保證以上幾點均符合要求的前提下，粘結(jié)劑最好選擇無灰分殘留的水系粘結(jié)劑，這樣更加安全環(huán)保。

-成型-注射成型

陶瓷注射成型技術(shù)是一種精密陶瓷材料的快速成型技術(shù)，其特點是：適于制備體積小、形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的陶瓷零件，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)。該技術(shù)的生產(chǎn)過程包括如下幾個主要步驟：混料、注射、脫脂和燒結(jié)。其中，粘結(jié)劑和脫脂工藝是該技術(shù)的核心。

粘結(jié)劑在整個陶瓷注射成型技術(shù)工藝中有兩個基本作用：與陶瓷粉末均勻混合，使其在一定溫度和注射壓力下具有良好的流動性，能夠順利完成注射成型；在脫脂階段，一方面能夠通過一定的脫脂工藝快速、順利地從陶瓷注射樣品中脫除，另一方面又要維持樣品完好的形狀。

-成型-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黏結(jié)劑與水一起混合和反復(fù)混煉，并通過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，通過擠壓機嘴處的模具擠出得到所需形狀的產(chǎn)品。

制備擠壓漿料的基本要求是：含有盡量少的粘結(jié)劑以保證最小的燒結(jié)收縮，具有良好的流變性以利于成型，同時必須保證坯體在擠出后具有保持一定形狀的能力。因此對粘結(jié)劑選擇時，需要留意其分解性、保水性、濕潤性、保形性，確保陶瓷坯體的柔軟性、強度和濕潤度能夠符合要求。

-成型-流延成型

流延成型在前文已經(jīng)介紹，這里不再贅述。粘結(jié)劑作為流延帶中唯一的連續(xù)相，它對流延帶的強度、可塑性、柔韌性、平滑度具有最大的影響。

-成型-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，將無可塑性的瘠性陶瓷粉料與熱石蠟液均勻混合形成可流動的漿料，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，進行壓力下的鑄造成形，然后經(jīng)過高溫脫蠟和燒結(jié)制成陶瓷。

三、燒結(jié)助劑

燒結(jié)是通過加熱使原料粉體產(chǎn)生顆粒粘結(jié)、經(jīng)過物質(zhì)遷移使粉末體產(chǎn)生強度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過程。普通陶瓷粉體之所以難于燒結(jié)，原因就在于其晶格能較高、晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)點擴散需要較高的活性，即燒結(jié)激活能大，因此需要較高的溫度。

燒結(jié)現(xiàn)象

而燒結(jié)助劑的加入可以與原料顆粒形成低溫液相，液相的存在可以促使原子擴散，有利于原料顆粒重排、溶解和析出，降低陶瓷致密化溫度。

姚義俊等人研究了氧化釔、氧化鑭和氧化釤三種稀土氧化物對氧化鋁陶瓷燒結(jié)性能和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)這些氧化物有助于抑制氧化鋁晶粒的生長，細化晶粒，使得晶粒尺寸更加均勻并形成致密的結(jié)構(gòu)。

四、其他助劑

（1）潤滑劑

陶瓷潤滑劑通常用于粉料的半干壓、干壓成型和可塑性粉料的擠壓成型，以提高粉料和可塑性粉料的潤滑能力，減少粉料的內(nèi)摩擦及粉料與磨具間的摩擦，便于脫模和提高坯體表面的光滑程度，提高粉料顆粒的流動性及壓制和擠壓坯體的密度及密度分布。潤滑劑也可以同時起到增塑劑和助壓劑的作用。陶瓷生產(chǎn)應(yīng)用的潤滑劑主要有金屬皂類、長鏈脂肪酸酯或酰胺類、礦物油改性類、聚酯和聚酰胺類。 

（2）增塑劑

增塑劑一般用來溶解有機粘結(jié)劑和濕潤坯料顆粒，在顆粒之間形成液態(tài)間層，提高坯料的可塑性。常用的增塑劑多數(shù)為有機的醇類或脂類。軋膜成型所用增塑劑的作用是：插入高分子化合物鏈節(jié)之間，減弱相互之間的吸引力，使粘結(jié)劑受力變形后，不致出現(xiàn)彈性收縮和破裂，從而提高坯料的可塑性。 

在陶瓷注射成型、擠壓成型和流延成型的過程中均需要加入一定量的增塑劑，常用的塑性劑有聚乙二醇、鄰苯二甲酸脂、乙二醇等。

參考資料

[1] Cr₂O₃-Y₂O₃-MgO三元燒結(jié)助劑對99氧化鋁陶瓷微波介電及絕緣性能的影響，李鵬飛

[2] 不同粘結(jié)劑與燒結(jié)溫度對Al₂O₃陶瓷力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)的影響，曹宇

[3] 干壓成型制備氧化鋁多孔支撐體影響因素的研究，徐小靜

[4] 氧化鋁粉末的球磨工藝及其燒結(jié)性能研究，劉瓊

[5] 有機分散劑對球形氧化鋁前驅(qū)體形貌的影響，徐曉娟

[6] 粘結(jié)劑對熱壓鑄成型用氧化鋁喂料的影響，武振飛

[7] 注凝成型制備氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷，張超

[8] 膠粘劑的六大粘合機理以及影響粘接強度的物理化學(xué)因素 ，周工解涂

[9] 十大結(jié)構(gòu)陶瓷成型工藝最全總結(jié)，機械學(xué)霸

[10] 陶瓷成型粘接劑與潤滑劑，天詩蠟粉

[11] 陶瓷生產(chǎn)應(yīng)用的潤滑劑，大熱匯

[12] 陶瓷分散劑——材料界的分手大師，讓團聚的粒子說拜拜，粉體網(wǎng)

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