精細(xì)陶瓷材料制備工藝包括精細(xì)陶瓷材料的粉體制備工藝、成型工藝和燒結(jié)工藝。粉體制備、成型和燒結(jié)這三者互相聯(lián)系，相互制約，相輔相承。目前陶瓷制備工藝的發(fā)展水平來(lái)看，成型工藝在整個(gè)陶瓷材料的制備過(guò)程中起著承上啟下的作用，是保證陶瓷材料及部件的性能可靠性及生產(chǎn)可重復(fù)性的關(guān)鍵，與規(guī)?；凸I(yè)化生產(chǎn)直接相關(guān)。ZrO₂超細(xì)粉體的制備技術(shù)在前面文章（發(fā)表于粉體圈2016年9月27日）已經(jīng)介紹，下面著重介紹ZrO2 精細(xì)陶瓷材料成型工藝及其應(yīng)用。

一、ZrO₂ 精細(xì)陶瓷成型工藝

ZrO₂ 精細(xì)陶瓷成型工藝主要分為：干法成型和濕法成型。

1、 干法成型。分為干壓成型和等靜壓成型。

（1）干壓成型：采用壓力將陶瓷粉料壓制成一定形狀的坯體。其實(shí)質(zhì)是在外力作用下，粉體顆粒在模具內(nèi)相互靠近，并借內(nèi)摩擦力牢固地結(jié)合起來(lái)，保持一定的形狀。它主要用來(lái)成型簡(jiǎn)單形狀的制品，且長(zhǎng)徑比要小。

優(yōu)點(diǎn)：①坯體尺寸準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)；

②干壓生坯中水分和結(jié)合劑含量較少，干燥和燒成收縮較小。

缺點(diǎn)：模具磨損造成的生產(chǎn)成本增高是干壓成型的不足之處。

（2）等靜壓成型：等靜壓成型是在傳統(tǒng)干壓成型基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的特種成型方法。等靜壓成型有濕袋式等靜壓和干袋式等靜壓之分。它利用流體傳遞壓力，從各個(gè)方向均勻地向彈性模具內(nèi)的粉體施加壓力。

等靜壓原理圖 a:干袋式 b: 濕袋式

1、高壓缸2、包套3、粉末4、支撐5、模芯6、壓力

特點(diǎn)：濕袋式等靜壓可以成型形狀較為復(fù)雜的制品，但只能間歇作業(yè)。干袋式等靜壓可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)作業(yè)，但只能成型截面為方形、圓形、管狀等簡(jiǎn)單形狀的制品。等靜壓成型可以獲得均勻致密的坯體，燒成收縮較小且各個(gè)方向均勻收縮，但設(shè)備較為復(fù)雜、昂貴，生產(chǎn)效率也不高，只適合生產(chǎn)特殊要求的材料。   

2、濕法成型。分為：注漿成型、熱壓鑄成型、流延成型、凝膠注模成型、直接凝固注模成型、注射成型及膠態(tài)注射成型。

陶瓷可塑成型工藝中最普遍的注射成型加工流程

（1）注漿成型：注漿成型過(guò)程與流延成型類似，物理脫水通過(guò)多孔的石膏模的毛細(xì)作用排除漿料中的水分，化學(xué)凝聚過(guò)程是因?yàn)樵谑嗄１砻?/span>CaSO₄的溶解生成的Ca²⁺提高了漿料中的離子強(qiáng)度,造成漿料的絮凝。

優(yōu)點(diǎn)：注漿成型適合制備形狀復(fù)雜的大型陶瓷部件；

缺點(diǎn)：坯體質(zhì)量，包括外形、密度、強(qiáng)度等都較差，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大且不適合自動(dòng)化作業(yè)。 

（2）熱壓鑄成型：熱壓鑄成型是在較高溫度下（60～100℃）使陶瓷粉體與粘結(jié)劑（石蠟）混合，獲得熱壓鑄用的漿料，漿料在壓縮空氣的作用下注入金屬模具，保壓冷卻，脫模得到蠟坯，蠟坯在惰性粉料保護(hù)下脫蠟后得到素坯，素坯再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)成瓷。

加熱、熱壓、冷卻脫模

優(yōu)點(diǎn)：熱壓鑄成型的生坯尺寸精確，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，模具磨損較小，生產(chǎn)效率高，適合各種原料。

缺點(diǎn)：由于蠟漿和模具的溫度需嚴(yán)格控制，否則會(huì)引起欠注或變形，因此不適合用來(lái)制造大型部件，同時(shí)兩步燒成工藝較為復(fù)雜，能耗較高。

（3）流延成型：流延成型是把陶瓷粉料與大量的有機(jī)粘結(jié)劑、增塑劑、分散劑等充分混合，得到可以流動(dòng)的粘稠漿料，把漿料加入流延機(jī)的料斗，用刮刀控制厚度，經(jīng)加料嘴向傳送帶流出，烘干后得到膜坯。

優(yōu)點(diǎn)：該工藝適合制備薄膜材料，

缺點(diǎn)：其成型所用的有機(jī)物有毒性，會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，應(yīng)盡可能采用無(wú)毒或少毒體系，減少環(huán)境污染。

（4）凝膠注模成型：其核心是使用有機(jī)單體溶液，該溶液能聚合成為高強(qiáng)度的、橫向連接的聚合物-溶劑的凝膠。陶瓷粉體溶于有機(jī)單體的溶液中所形成的漿料澆注在模具中，單體混合物聚合形成膠凝的部件。

該方法存在主要問(wèn)題是致密化過(guò)程中胚體的收縮率比較高，容易導(dǎo)致胚體變形；有些有機(jī)單體存在氧阻聚而導(dǎo)致表面起皮和脫落；由于溫度誘導(dǎo)有機(jī)單體聚合工藝，引起溫度剃度導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力存在使坯體開(kāi)列破損等。

（5）直接凝固注模成型：將溶劑水、陶瓷粉體和有機(jī)添加劑充分混合形成靜電穩(wěn)定、低粘度、高固相含量的漿料，在其中加入可改變漿料PH值或增加電解質(zhì)濃度的化學(xué)物質(zhì)，然后將漿料注入到無(wú)孔模中。

優(yōu)點(diǎn)：不需或只需少量的有機(jī)添加劑(小于1%)，坯體不需脫脂，坯體密度均勻，相對(duì)密度高 (55%~70%)，可以成型大尺寸復(fù)雜形狀陶瓷部件。

缺點(diǎn)：添加劑價(jià)格昂貴。

（6）注射成型：該方法通過(guò)添加大量有機(jī)物來(lái)實(shí)現(xiàn)瘠性物料的塑性成型，是陶瓷可塑成型工藝中最普遍的一種方法。

優(yōu)點(diǎn)：該工藝自動(dòng)化程度高、成型坯體尺寸精密。

（7）膠態(tài)注射成型：其基本思路是將液態(tài)成型與注射成型相結(jié)合，利用專用的注射成型設(shè)備和膠態(tài)原位凝固成型的固化技術(shù)，進(jìn)行陶瓷材料的注射成型。

該成型工藝既區(qū)別于一般的膠態(tài)成型，又區(qū)別于傳統(tǒng)的注射成型，將既具有膠態(tài)原位凝固成型坯體均勻性好，有機(jī)物含量低的特色，又具有注射成型自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，是膠態(tài)成型工藝的一種質(zhì)的升華，將成為高技術(shù)陶瓷走向產(chǎn)業(yè)化的希望所在。

二、ZrO2 精細(xì)陶瓷的應(yīng)用

氧化鋯全瓷牙

氧化鋯陶瓷作為一種新型陶瓷材料，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，是耐火材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、生物材料和電子材料的重要原料，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

1、ZrO₂ 結(jié)構(gòu)陶瓷

ZrO₂ 結(jié)構(gòu)陶瓷具有高韌性、抗彎強(qiáng)度和耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能，熱膨脹系數(shù)接近于金屬等優(yōu)點(diǎn)。 用于生產(chǎn)：Y-TZP磨球、分散和研磨介質(zhì)、噴嘴、球閥球座、氧化鋯模具、微型風(fēng)扇軸心、光纖插針、光纖套筒、拉絲模和切割工具等。

2、ZrO₂功能陶瓷 

廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石化等行業(yè)的氧化鋯氧傳感器

Y₂O₃的 ZrO₂陶瓷具有敏感的電性能參數(shù)，是近幾年來(lái)發(fā)展和開(kāi)發(fā)應(yīng)用的新材料，主要應(yīng)用于各種傳感器、第三代燃料電池和高溫發(fā)熱體等領(lǐng)域。而且 ZrO2材料高溫下具有導(dǎo)電性及晶體結(jié)構(gòu)存在氧離子缺位的特性，可制成各種功能元件。目前主要有下列幾個(gè)方面的應(yīng)用： 

（1）氧傳感器 

傳感器主要用于工業(yè)生產(chǎn)、監(jiān)控、品質(zhì)檢驗(yàn)，用來(lái)提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高產(chǎn)品的性能，目前氧化鋯氧傳感器已大量應(yīng)用于鋼鐵制造過(guò)程中，用來(lái)測(cè)量溶融鋼水及加熱爐所排放氣體的含氧量，從而了解鋼鐵制造過(guò)程中鋼鐵的品質(zhì)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

（2）固體氧化物燃料電池

利用ZrO2作為固體電解質(zhì)來(lái)研制第三代燃料電池—固體氧化物燃料電池，它由用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）陶瓷給氧離子通電的電解質(zhì)和由多孔質(zhì)給電子通電的燃料和空氣極構(gòu)成。與其他燃料電池比，發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以期望從容量比較小的設(shè)備發(fā)展到大規(guī)模設(shè)備。

（3）高溫發(fā)熱體

ZrO₂室溫電阻極高，但當(dāng)溫度升至 600℃時(shí)，即可導(dǎo)電，1000 ℃時(shí)，具有導(dǎo)體的性能。目前已將它成功地用于 2000℃以上氧化氣氛下的發(fā)熱元件及其設(shè)備中。

（4）壓電材料 

以 ZrO2 作為主要成分，可制成 PZT（鋯鈦酸鉛），PLZT（鋯紺鈦酸鉛）等壓電材料，在超聲、水聲及各種蜂鳴器等壓電元件制備中，起到重要的作用。 

（5）ZrO2 涂層

渦輪葉片是航天發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層

熱障涂層是為在高溫臨界狀態(tài)下工作的氣冷金屬部件提供隔熱作用。納米級(jí)氧化釔、穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）用于熱障涂層顯示出突出的性能。YSZ 具有很高的熱反射率,化學(xué)穩(wěn)定性好，與基材的結(jié)合力和抗熱震性能均優(yōu)于其他材料，因此，YSZ 是目前理想的熱障涂層材料。其具體應(yīng)用有航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱涂層，潛艇、輪船柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的襯里等。      

投稿作者：李波濤