流延成型法由于具有設備簡單、可連續操作、生產效率高、坯體性能均一等特點,已成為制備大面積、超薄陶瓷基片的重要方法, 被廣泛應用在電子工業、能源工業等領域, 如制備Al₂O₃ 、AlN 電路基板, BaTiO₃ 基多層電容器及ZrO₂ 固體燃料電池等。此外，引人熱議的手機陶瓷背板也可以用流延成型工藝制備。

圖 LED車頭燈 氮化鋁陶瓷基板樣件

流延成型的主要優點是適于成型大型薄板陶瓷或金屬部件。這類部件幾乎不可能或很難通過壓制或擠制成型, 而通過流延成型制造各種尺寸和形狀的坯體則是十分容易的, 而且可以保證坯體質量。據報道國際上已能成型厚度3μm的產品，另有研究，在普通流延成型機上可成型厚度為12μm ~3mm 的薄片。

一、流延成型工藝漿料用料

流延成型用到的原料主要包括陶瓷原料粉體、溶劑、分散劑、粘結劑、增塑劑，必要時還需要除泡劑和勻化劑等。

1、陶瓷粉體

陶瓷粉體是流延成型漿料的主要部分，陶瓷粉體的性質直接影響最終產品的性能。流延成型工藝需考慮陶瓷粉體的以下特征。

a、雜質含量。陶瓷粉體的化學組成和特性會影響甚至能控制最終燒結材料的收縮率和顯微結構, 所以必須嚴格控制陶瓷粉體中的雜質含量。

b、顆粒尺寸。陶瓷粉體的顆粒尺寸和形貌對顆粒堆積以及漿料的流變性能會產生重要影響。為了使成型的素坯膜中陶瓷粉體顆粒堆積致密，粉體的尺寸必須盡可能小。但另一方面, 顆粒尺寸越小比表面積越大, 漿料制備時所需的有機添加劑越多，導致素坯膜的排膠困難, 干燥和燒結后收縮率增加, 降低最終燒結陶瓷的體密度。陶瓷顆粒尺寸的最佳范圍一般為1~4μm , 比表面積為2~5m²/g，顆粒形貌以球形為佳。

c、顆粒形貌。球形的顆?？梢员ＷC較高的致密度，但有時為了使產品具有特別的物理性能(如介電和壓電常數)，也會選擇各非球形的顆粒。

d、團聚程度。陶瓷粉料中不能有硬團聚，硬團聚對顆粒堆積和材料燒結后的性能產生不良影響，而軟團聚一般在混合球磨過程中被破壞，一般對成型沒有影響。

2、溶劑及分散劑

流延成型是一種濕法成型工藝，需要先將陶瓷粉末制成液體漿料，因此需要尋找合適的溶劑。溶劑的主要作用如下：① 溶解粘結劑、增塑劑等添加劑；② 使陶瓷粉體顆粒分散均勻；③ 為漿料提供合適的黏度。按漿料選用的溶劑及有機添加物不同, 流延成型分為有機流延體系和水基流延體系2 類。有機流延溶劑多采用乙醇、甲乙酮、三氯乙烯、甲苯和二甲苯等, 最常用的有乙醇/甲乙酮、乙醇/三氯乙烯、乙醇/甲苯、甲苯/正丁醇等二元共沸溶劑。

分散劑通過空間位阻穩定或靜電位阻穩定機制使陶瓷粉末在漿料中處于懸浮狀態。粉料顆粒在流延料漿中分散均一與否直接影響素坯的質量及其燒結特性, 從而影響燒結體的致密性、氣孔率和機械強度等一系列特性。分散劑的分散效果是決定流延制膜成敗的關鍵。

表1、常用的分散劑和粘結劑　

3、粘接劑及增塑劑

粘結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度和可操作性。增塑劑的加入是為了保證素坯膜的柔韌性，降低粘結劑的玻璃化轉變溫度，使粘結劑在較低的溫度下，鏈分子在外力的作用下卷曲和伸展，增加形變量。

表2 常用的粘結劑及其對應的增塑劑 

其他添加劑：

為了使漿料具有一些特殊性質，有時候需要添加一些其他功能性添加劑，如：潤滑劑、均質劑、消泡劑和絮凝劑等。

①潤滑劑。主要用在水基流延體系中，可以改善水對陶瓷粉體的潤濕性以及漿料的分散均勻性，縮短混料時間，提高素坯表面性能。潤滑劑一般是一些溶于溶劑的表面活性劑，如：甘油三酸脂、磺酸鹽和磷酸鹽等。

② 均質劑?？梢蕴岣邼{料組分之間的相互溶解度并防止漿料表面形成硬皮，如環己酮。

③ 消泡劑。在球磨攪拌的過程中，漿料中可能會產生有害氣泡，一般消除氣泡是通過消泡劑和機械攪拌的共同作用來完成的。目前常用的消泡劑包括礦物類消泡劑、聚醚類消泡劑和有機硅類消泡劑。

④ 絮凝劑。為了防止漿料形成過高密度沉淀的試劑，用于流延成型的絮凝劑受pH 值的影響，可通過調節pH 值接近等電點來反作用于分散劑。

備注：多組分懸浮液中各組分之間可能會相互作用引起一些問題，因此添加劑的種類應該盡量地保持最少。

二、薄片陶瓷流延成型工藝簡析

流延法制備過程主要包括漿料制備、流延成型、生坯干燥、脫脂以及燒結幾個環節。具體工藝流程如下圖所示：

圖  流延成型工藝流程

工藝流程簡述：首先將陶瓷粉體與分散劑加入溶劑(水或有機溶劑)中，通過球磨或超聲波振蕩打開顆粒團聚，并使溶劑潤濕粉體，再加入粘結劑和增塑劑，通過二次球磨得到穩定、均一的漿料；再將漿料在流延機上進行成型得到素坯；然后進行干燥，使溶劑蒸發，粘結劑在陶瓷粉末之間形成網狀結構，得到素坯膜；接著對素坯膜進行機加工，得到所需要的特定形狀；最后通過排膠和燒結處理得到所需要的成品。

傳統的流延成型工藝采用有機物溶劑流延體系，所使用的有機溶劑(如甲苯、二甲苯等)具有一定的毒性，使生產條件惡化并造成環境污染，且生產成本較高。伴隨著現今環保督查各種嚴格，這種制備工藝是不得不有所進步。此外，由于漿料中有機物含量較高, 生坯密度低,脫脂過程中坯體易變形開裂，影響產品質量。針對上述缺點，研究人員開始嘗試用水基溶劑流延體系替代有機溶劑體系。使用水作溶劑可以相應降低有機物的使用量，而且漿料粘度低，使用合適的分散劑可大大提高漿料的固相體積分數，有利于提高生坯密度，同時還具有不燃、無毒、成本低等優點, 應用前景十分看好。

三、改進工藝的流延成型

水基溶劑流延體系雖然能夠克服有機溶劑體系環境污染嚴重、成本高、生坯密度低、脫脂過程中坯體易變形開裂等缺點，但也存在一些急需解決的問題。如：漿料對工藝參數敏感，難以形成致密光滑的表面，干燥時氣泡容易開裂，生坯內容易形成氣泡等。基于水基流延成型工藝所存在的不足, 研究人員也在嘗試通過其他途徑改進流延成型工藝。在材料學科工作者的不懈努力下，在原有流延成型方法的基礎上，開發出了新的水基流延成型方法，如凝膠流延成型工藝、紫外引發聚合成型工藝和等靜壓流延成型工藝等。

1、凝膠流延成型工藝

凝膠流延成型利用有機物單體聚合的原理進行流延成型。該法是將陶瓷粉體、分散劑和增塑劑加入有機單體和交聯劑的混合溶液中，制備出低黏度并具有高固相體積分數(體積分數大于50%)的濃懸浮液。然后加入引發劑和催化劑后，控制溫度并引發單體發生聚合反應，使懸浮體的黏度增大，從而發生原位凝固成型，最后制備出具有一定強度并且適合機加工的坯體。

凝膠流延成型工藝不僅顯著降低漿料中有機物的用量，而且提高固相體積分數，提高產品的密度和強度，更有利于資源節約型及環境友好型社會的構建。

圖 凝膠流延成型工藝

2、紫外引發聚合成型工藝

針對水基流延成型工藝的缺點，研究人員采用利用紫外引發原位聚合機制，將紫外光敏單體、紫外光聚合引發劑加入漿料中并引發紫外原位聚合反應，使漿料原位固化成型。相對傳統的流延成型工藝，紫外引發流延成型工藝只要在普通流延機加上紫外光源即可完成，免去了最容易造成材料成型失敗的干燥過程。工藝流程見下圖：

圖 紫外引發聚合流延成型工藝

3、等靜壓流延成型工藝

流延成型的漿料的固相體積分數相對較低，并且在干燥過程中還伴隨著溶劑的蒸發，在素坯中留下氣孔，因此通過流延成型獲得的素坯膜一般都結構疏松，密度較低，很難通過流延成型直接獲得致密的素坯。

流延成型獲得的流延膜素坯雖然不夠致密，結構松散，但其具有較好的延展性，因此，可以通過等靜壓二次成型來提高素坯的致密度。但是等靜壓流延成型設備較為昂貴，而且會使工藝變得更加復雜，提高成本。

參考來源

1、陶瓷薄片的流延成型工藝概述；北京有色金屬研究總院先進電子材料研究所，宋占永, 董桂霞, 楊志民, 馬舒旺等著

2、流延成型技術的研究進展；中南大學材料科學與工程學院，謝雨洲，彭超群，王小鋒，王日初，劉家杰，徐健等著

編輯：粉體圈小白