半導體設備需要大量的精密陶瓷部件，由于陶瓷具有高硬度、高彈性模量、高耐磨、高絕緣、耐腐蝕、低膨脹等優點，可用作硅片拋光機、外延/氧化/擴散等熱處理設備、光刻機、沉積設備，半導體刻蝕設備，離子注入機等設備的零部件。其中，氧化鋁陶瓷是使用非常廣泛的精密陶瓷材料，在半導體制造設備的腔體部件、絕緣法蘭盤、拋光板、拋光平臺、晶圓夾盤、搬運臂等領域有著重要應用。

氧化鋁陶瓷真空吸盤

精密陶瓷部件制備的難點

但在精密陶瓷部件的制備過程中，必須經過瓷胎的精加工才能成為具有一定精度的工程部件，與傳統的金屬材料的加工方式不同，陶瓷材料的因其晶體結構和化學鍵構成，使其具有硬脆特性，難以加工。因此對先進陶瓷的精加工已經發展成為一個專門的技術。先進陶瓷可以通過力學、化學、電學、光學等多種加工方式，考慮到成本、技術、能源等方面，目前還是以機械（磨料）加工為主。

以磨料加工為例，陶瓷的加工是通過一個個細小的磨粒，通過撞擊瓷胎表面產生微裂紋，反復撞擊導致裂紋擴展連接，瓷胎表面碎屑產生脆性斷裂脫離瓷胎的過程。

陶瓷磨削工藝原理圖

因此在機械加工過程中，常常帶來以下問題：

（1）當每一次的加工量大于1 um時，陶瓷材料就會發生出現裂紋，隨著加工的進行，部分裂紋擴展伴隨著碎屑一起離開陶瓷表面，一部分仍然存在與陶瓷材料表面，對材料的強度與可靠性產生不利影響；

（2）如果磨削加工方向與成型或燒結壓力方向一致，相同的加工量對材料造成的脆性斷裂的就會減少，但是燒結后的產品很難判斷其內部晶粒取向，加工方向選擇不對，容易造成原材料的浪費；

（3）切削加工一般采用金剛石單晶車刀進行加工，刀具價格昂貴，且刀頭使用壽命短；

（4）因瓷胎的燒后加工是通過微觀變形的積累達到目的，所以加工周期長，能耗高，成本高，雖然先進陶瓷精密部件具有優良特性，但仍然難以廣泛使用。

因此，盡量在制備流程中減少機加工量是精密陶瓷部件制備的一大發展趨勢，近凈成型技術將新材料、新能源、精密模具技術、計算機技術自動化技術等多種高新技術融入傳統的成型技術，僅需少量加工或不再加工，就可用作機械零部件，使得成形的機械構件具有精確的外形、高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度。

其中，凝膠注模成型(Gel-casting)應用較為成熟，它適用于大多數陶瓷粉料，已成功地進行了Al₂O₃、Si₃N₄、SiAlON、SiC、SiO₂、ZrO₂等多種陶瓷的成型制備。

凝膠注模成型技術

與傳統膠態成型技術相比，凝膠注模成型的坯體中擁有較少的有機物含量和較高的固相含量，并且獲得了均勻的、具有一定塑性、滿足機械加工的高強度生坯，為制造先進陶瓷精密部件提供了可能性。

凝膠注膜成型原理圖

這種技術是將單體聚合形成具有一定強度的凝膠網絡的理論與傳統陶瓷濕法成型工藝結合在一起實現的。將凝膠體系制備成預混液與粉料的混合，通過球磨或攪拌制備成均勻的低粘度的漿料，經過真空除氣，加入引發劑、催化劑（或者一定溫度條件下），將漿料注入到無孔模具中，凝膠體系聚合生成高分子三維網絡結構，使顆粒原位凝固制得生坯，陶瓷粉料保留了液相的均勻性，整個生產工藝簡單易連續化，且不需要大型設備。

凝膠注模成型工藝流程圖

凝膠注模成型的體系

注凝成型技術，根據溶液的不同可分成水基注凝成型和非水基注凝成型。只要是原料不和水產生化學反應，則主要以水基注凝成型為主，因為非水基注凝成型所用的有機溶劑大多都對自然環境和人類健康不利，不符和建設環境友好型產業的需求。而根據有機物聚合方式的不同又可以分為自由基反應體系、親核加成體系和天然大分子體系。

目前，丙烯酰胺（AM）體系是國內外使用最廣泛的體系，其制得的生坯質量好，強度高。但是AM的神經毒性等級為4級，具有極強的水溶性，可以通過皮膚、黏膜等進入人體，因此迫切需要開發一種低毒或無毒的注凝成型體系。

天然凝膠材料體系以具有良好凝膠特性的自然高分子為主要基質，而在野生動植物中獲得的多種水溶性高分子具備了很好的自然凝膠特點，例如瓊脂、淀粉、卡拉膠、殼聚糖、藻酸鈉、卵白蛋白等，因其在一定的自然物理生化條件可以進行膠凝反應，所以普遍的使用于食物、醫藥、環境化工等領域。但是一般天然凝膠所制備的生坯強度和密度較低，需要較高的添加量，限制了它們的工業化使用，因此在綠色凝膠體系的開發上仍有許多待解決的問題。

凝膠基體的形成

凝膠注膜成型的關鍵工藝

1. 低粘度、高固相含量的穩定料漿的制備

注凝成型制備高性能陶瓷部件的關鍵是低粘度、高固相含量的穩定料漿的制備。根據其流變特性、固體負載、均勻性和穩定性制備合適的粉末懸浮液，有利于漿料快速徹底的排除氣體，制備均勻性好、缺陷少的坯體，避免坯體干燥和燒成過程發生開裂變形。

高固相含量的漿料對于凝膠澆注來說是理想的，可以最大限度地減少干燥和燒結收縮；低粘度分散性能好的漿料有利于完全填滿復雜形狀的模具的每一個細節和氣體的排除，獲得均勻性好的高質量生壞；較高的有機物濃度是有害的，因為它往往會在陶瓷燒結致密化過程中產生塌陷、氣孔等。因此，如何制得高固相含量、低粘度的穩定料漿，是凝膠注模成型制備先進陶瓷精密部件的重要步驟。

其中，陶瓷懸浮液的流變特性主要受固體負載和膠凝劑含量的影響，通常表現出假塑性行為，它決定了從剪切變稀行為到剪切增稠行為的轉變。人們普遍認為當剪切速率10 s^-1和100 s^-1之間時，粘度超過1Pa·s就不適合凝膠注膜成型了。

2.陶瓷坯體的安全干燥

注凝成型在多孔材料、復合材料、功能材料領域已經得到廣泛研究，但是在實際工業生產中卻少有使用。原因是凝膠化的坯體干燥過程是一個復雜且緩慢的過程，在特定的溫度與濕度下，使坯體中的水通過固體介質排除到干燥介質的過程，由于坯體內部溶劑（例如水）的梯度不同，使坯體不同區域干燥速度也有差別，特別是大尺寸的坯體，更容易產生不均勻干燥收縮，引起結構應力和殘余應力的集中，從而導致坯體變形、翹曲、開裂等問題。

凝膠注膜成型對干燥條件要求十分嚴苛，甚至在高溫高濕的條件下也很容易出現裂紋變形，坯體的安全干燥對于解決尺寸精度以及裂紋的形成和擴展等問題非常重要。

在實際的凝膠澆注過程中，漿料的固化速度是通過溫度控制或調節引發劑和催化劑的添加量來控制的。陶瓷生坯的內應力主要來源于前驅體懸浮液固化（溫度梯度、引發劑濃度）和生坯干燥（溫度、濕度）過程中的不均勻收縮。

近些年來，研究人員研究了高濕干燥、液體干燥、冷凍干燥等一系列方法，但是考慮到成本和自動化的問題，安全穩定的熱干燥是最經濟的。

參考來源：

1.氧化鋁陶瓷精密部件制備技術的研究，馬征（青島科技大學）；

2.注凝成形工藝的研究進展，馬征、梁紹臻、王志義等（山東陶瓷）；

3.凝膠注模成型法制備多孔陶瓷的研究進展，張會、趙鈺明、任偉剛等（山東化工）。

粉體圈 小吉

本文為粉體圈原創作品，未經許可，不得轉載，也不得歪曲、篡改或復制本文內容，否則本公司將依法追究法律責任。