氧化鋁陶瓷是氧化物中最穩(wěn)定的物質(zhì)之一，具有高的機(jī)械特性和高的電絕緣性與低的介電損耗等特點(diǎn)，在航天航空、機(jī)械、電子、汽車(chē)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。
圖1 CIM生產(chǎn)的氧化鋁異形管（圖片來(lái)源：錦州云星工業(yè)陶瓷有限公司）
在成型技術(shù)上，由于氧化鋁陶瓷硬度高，脆性大，難以切削加工，特別是加工形狀復(fù)雜、精度要求高的異形零部件，存在較大難度，尤其對(duì)于微型結(jié)構(gòu)件（毫米級(jí)），其它的成型方法幾乎無(wú)能為力。表1展示了各種不同的成型方法。
表1 成型方法對(duì)比(資料來(lái)源：精密陶瓷結(jié)構(gòu)件注射成型制備工藝研究)
成型方法 | 成型 材料 | 制品 形狀 | 制品尺寸（cm） | 生產(chǎn)效率 | 技術(shù)要點(diǎn) | |
直徑 | 厚度 | |||||
注射 | 粉末+有機(jī)材料(10~25%) | 非常 復(fù)雜 | 30~0.5 | 3.0~1 | 大量生產(chǎn) | 添加劑選擇，脫脂 |
機(jī)械壓制 | 粉末+有機(jī)材料( 4~ 8%) | 簡(jiǎn)單 | 20~1.0 | 0.8~1.0 | 間歇、自動(dòng)大量生產(chǎn) | 顆粒調(diào)整 |
冷等靜壓 | 粉末+有機(jī)材料( 3~ 8%) | 較復(fù)雜柱狀球狀 | 150~3 | 150~ 1. 9 | 干式大流量生產(chǎn) | 顆粒調(diào)整、磨具設(shè)計(jì) |
粉漿澆注 | 粉末+各種材料+水 | 相當(dāng) 復(fù)雜 | 150~ 20 | 3. 0~ 0. 3 | 間歇式 | 控制粒度、調(diào)整粉漿 |
刮片 | 粉末+各種材料+有機(jī)溶劑 | 簡(jiǎn)單 | 200~ 15 | 0.2~0.003 | 自動(dòng)大量生產(chǎn) | 粒度分布，粉漿調(diào)整，有機(jī)物選擇 |
擠壓 | 粉末+有機(jī)材料+水 | 棒狀 管狀 | 30~ 20 | 2.5~0. 01 | 連續(xù)大量生產(chǎn) | 添加劑選擇 |
陶瓷注射成型（CIM）的出現(xiàn)為氧化鋁陶瓷的成型加工帶來(lái)了新的解決方法。該工藝主要包括喂料、注射成型、脫脂和燒結(jié)四個(gè)階段。其基本過(guò)程為在氧化鋁陶瓷粉末中加入粘結(jié)劑，并使其混合均勻，形成具有粘塑性的喂料，在加熱狀態(tài)下，利用注射成型機(jī)將喂料注入模具模腔內(nèi)冷凝成型，經(jīng)過(guò)脫脂工藝去除粘結(jié)劑后，便可用于燒結(jié)。
圖2 注射成型工藝流程(不同的顏色屬于不同的工藝步驟，分別為喂料制備、注射成型、脫脂、燒結(jié)四個(gè)步驟)
喂料制備是將陶瓷粉體與適量的有機(jī)載體按一定配比在一定溫度下進(jìn)行混煉，然后干燥、造粒，得到注射喂料。用作注射成型的氧化鋁陶瓷喂料需要具備足夠高的固含量，良好的流變性以及熱力學(xué)穩(wěn)定性。喂料的性能主要取決于粉體的性質(zhì)和粘結(jié)劑的選擇，因此，對(duì)其研究和優(yōu)化也集中在這兩個(gè)方面。
粉體的平均粒度、松裝密度、粉末形狀、比表面積、顆粒間隙等決定了所制備喂料的性質(zhì)，進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。對(duì)于氧化鋁粉體，最重要的要求是粒徑細(xì)小、形狀規(guī)則，這樣的粉末在注射成型過(guò)程中流動(dòng)性好、填充量大，燒結(jié)收縮率低。
研究表明[1]，當(dāng)氧化鋁陶瓷喂料固含量相同時(shí)，包裹氧化鋁粉體所需的粘結(jié)劑用量隨粉體比表面積的減小而減小，粉體之間更容易流動(dòng)，喂料的粘度降低，有利于注射過(guò)程完成。
粘結(jié)劑是陶瓷粉體的載體，決定了喂料注射成形的流變性能和注射性能。良好的粘結(jié)劑可起到形狀維持的作用，且能有效減少胚體變形和脫脂缺陷的產(chǎn)生。
氧化鋁陶瓷注射成型粘結(jié)劑要具備以下條件：
(1)流動(dòng)特性好，注射成型黏度適中，且黏度隨溫度不能波動(dòng)太大，以減少缺陷產(chǎn)生；
(2)對(duì)粉體的潤(rùn)濕性和粘附作用好；
(3)具有高導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)；
(4)一般由多組分有機(jī)物組成，單一有機(jī)粘結(jié)劑很難滿足流動(dòng)性要求。
圖2 CIM粘結(jié)劑體系一般由低熔點(diǎn)組元和高分子聚合物組元組成
氧化鋁陶瓷粉末CIM的常用粘接劑和其對(duì)應(yīng)的脫脂方法如表2所示[2]。目前氧化鋁注射成型中最為常用的粘接劑由石蠟（PW）、聚丙烯（PP）和硬脂酸（SA）等組成。部分研究者用EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）代替PP，用植物油代替SA，同時(shí)也有研究者將EVA和PP各占一定的比例進(jìn)行混合。
表2 氧化鋁陶瓷粉末注射成型的粘接劑及脫脂方法
粉末 | 粘接劑體系 | 脫脂方法 |
Al2O3 | PP/HDPE/EVA/PS/LDPE/VA+PW+SA | 熱脫脂 |
Al2O3/Si3N4 | PP，PW，SA | 溶劑脫脂 |
Al2O3/ZrO2 | PP/PEG | 水基萃取脫脂 |
Al2O3 | POM | 催化脫脂 |
注射成型過(guò)程是指，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胚體，然后脫模。
注射成型過(guò)程是一個(gè)不可壓縮、非等溫、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程，其工藝參數(shù)控制不當(dāng)會(huì)使產(chǎn)品產(chǎn)生眾多缺陷，而這些缺陷直到脫脂和燒結(jié)后才能被發(fā)現(xiàn)，所以控制和優(yōu)化注射工藝參數(shù)對(duì)提高成品率和材料的利用率至關(guān)重要。注射成型過(guò)程工藝參數(shù)涉及溫度、成型周期、壓力、速度四個(gè)方面，具體參數(shù)如表3所示。
表3 注射成型過(guò)程四大工藝參數(shù)
溫度 | 材料溫度 | 壓力 | 注射壓力 |
油缸溫度 | 保壓壓力 | ||
模具溫度 | 背壓壓力 | ||
成型 周期 | 注射時(shí)間 | 速度 | 注射速度 |
保壓時(shí)間 | 送料速度 | ||
冷卻時(shí)間 | ---- |
脫脂又稱(chēng)排膠，是指通過(guò)加熱或其它方法，將注射成型胚體內(nèi)的有機(jī)物排除。
脫脂過(guò)程是注射成型工藝中耗時(shí)最長(zhǎng)的一道工序，也是質(zhì)量控制最為關(guān)鍵的一道工序，脫脂不當(dāng)會(huì)造成眾多的制品缺陷。常見(jiàn)的脫脂工藝包括熱脫脂、溶劑脫脂等。對(duì)于氧化鋁陶瓷的注射成型，起初主要采用熱脫脂，簡(jiǎn)單地把有機(jī)物燒除，這種方法能耗高、時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于厚壁的陶瓷零件還是有一定的局限性。
溶劑脫脂主要是利用有機(jī)溶劑（如丙酮、乙烷等）將胚體中的石蠟溶解，而其他粘結(jié)劑仍能維持胚體形狀，隨后可將溶劑排出。對(duì)于石蠟占比大的粘結(jié)劑體系，可以采用溶劑脫脂工藝。
近些年來(lái)，水基萃取脫脂、催化脫脂、超臨界脫脂等各種新型脫脂方法不斷被報(bào)道，相比傳統(tǒng)脫脂方法，具有脫脂速度塊，裂紋缺陷形成少等優(yōu)點(diǎn)，使得燒結(jié)后的最終產(chǎn)品性能大大提高。例如，Marc Ferrato[3]在對(duì)氧化鋁的超臨界脫脂工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可在較短時(shí)間內(nèi)獲得無(wú)缺陷的注射成型生坯。表4比較了幾種常見(jiàn)的脫脂工藝。
表4 幾種常見(jiàn)的脫脂工藝
脫脂工藝 | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
熱脫脂 | 發(fā)展成熟，工藝簡(jiǎn)單，成本低，設(shè)備簡(jiǎn)單 | 脫脂速度慢，對(duì)于厚坯件、大尺寸結(jié)構(gòu)件不適合，容易引起樣品表面開(kāi)裂等缺陷 |
有機(jī)溶劑 脫脂 | 脫脂速度塊，時(shí)間短 | 實(shí)際操作繁瑣，需大量資金投入，需特殊儀器，散發(fā)有毒物質(zhì)，有變形。 |
水萃取脫脂 | 脫脂速率高，產(chǎn)品易保形，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染 | 對(duì)粘結(jié)劑體系有特殊要求，一般粘結(jié)劑不適合 |
催化脫脂 | 對(duì)厚坯體部件更適合，有利于產(chǎn)品的保形 | 最終產(chǎn)物含有毒物質(zhì)，需特殊設(shè)備，成本高，對(duì)粘結(jié)劑組成有特殊要求，只只用于催化脫脂的粘結(jié)劑體系 |
超臨界 萃取脫脂 | 脫脂效率高 | 操作繁瑣 |
脫脂后的陶瓷素坯為多孔質(zhì)成形體，密度較低，需要在高溫下致密化燒結(jié)，獲得所需尺寸精度和纖維結(jié)構(gòu)的致密陶瓷部件。該工藝過(guò)程和一般陶瓷致密化燒結(jié)大同小異，包括無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)等。
氧化鋁陶瓷注射成型與其它制備工藝生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷零件相比，能大批量低成本加工諸如電子基板、牙托、微型齒輪等形狀復(fù)雜、精度高的零件，其無(wú)愧為異形精密氧化鋁陶瓷的高效成型方法，在國(guó)內(nèi)外具有廣泛的研究和應(yīng)用前景。圖3展示了中材高新利用CIM生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷異形件，圖4為明睿陶瓷利用CIM生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷電極夾。
圖3 采用CIM生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷異形件（圖片來(lái)源：中材高新材料股份有限公司）
圖4 采用CIM生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷電極夾可用于厚膜集成電路
（圖片來(lái)源：明睿陶瓷）
鑒于氧化鋁注射成型工藝復(fù)雜，注射和脫模過(guò)程受到諸多因素的制約，容易產(chǎn)生欠注、空洞、飛邊、變形等缺陷，對(duì)于其注射成型工藝的研究還須深入。目前來(lái)看，喂料制備和脫脂過(guò)程仍是該工藝的技術(shù)難點(diǎn)，因此對(duì)其進(jìn)一步研究也將從以下方面展開(kāi)：
（1）不規(guī)則氧化鋁粉末顆粒注射成型的研究。粉體性能對(duì)于成品質(zhì)量有很大影響，很多實(shí)驗(yàn)室中研究采用的粉體粒徑、比表面積等要求嚴(yán)苛，但是在工業(yè)化生產(chǎn)中對(duì)于利用高品質(zhì)粉體生產(chǎn)，成本會(huì)相當(dāng)高。因此，如何克服不規(guī)則氧化鋁粉末顆粒給注射成型帶來(lái)的困難，是工業(yè)生產(chǎn)必須解決的一個(gè)環(huán)節(jié)。
（2）粘結(jié)劑的研究。若能開(kāi)發(fā)新的粘結(jié)劑體系，有效增大混料的裝載量，甚至開(kāi)發(fā)出無(wú)粘接劑技術(shù)，這樣能夠大大提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)工藝流程的優(yōu)化。
（3）脫脂過(guò)程的研究。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以模擬和控制脫脂時(shí)間和脫脂質(zhì)量，以此增加產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率。
參考文獻(xiàn)
[1]Effect of ceramic powder on feedstock viscosity in injection molding; Wuhan Technical College of Communications, Shi Ya-qi; Huazhong University of Science and Technology, Luo Wei。
[2]氧化鋁陶瓷注射成型研究進(jìn)展；西南大學(xué)，彭和，蔣顯全，李婧，白雪飛；重慶市科學(xué)技術(shù)研究院新材料中心，蔣顯全。
[3]Influence of the Debinding Method on the Mechanical Properties of Plastic Formed Ceramics; Thierry Chartier, Marc Ferrato，Jean-Francois Baumard。
[4]精密陶瓷結(jié)構(gòu)件注射成型制備工藝研究；燕山大學(xué)，嚴(yán)興偉。
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作者：粉體圈
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