釔穩定氧化鋯（YSZ）具有優良的耐腐蝕性和機械強度，在高溫環境下表現出顯著的抗氧化還原能力，廣泛應用于航空航天、船舶汽車、生物醫學等領域。致密的YSZ陶瓷憑借其較高的O^2?傳導能力，被應用于氧傳感器、氮氧化物傳感器及固體氧化物燃料電池，是當前使用最經典的高溫固體電解質之一。

釔穩定氧化鋯制作的光纖連接器陶瓷插芯

目前，釔穩定氧化鋯陶瓷也成為了半導體材料的一種研究方向，在高溫共燒陶瓷工藝（HTCC）制備氧化鋯厚膜陶瓷器件的過程中，流延添加劑（黏結劑與塑化劑）是影響陶瓷性能的重要因素之一。添加劑含量對釔穩定氧化鋯（YSZ）流延漿料黏度、膜帶厚度，及陶瓷的收縮率、相對密度、電導率及機械強度都有影響。

流延成型工藝與流程

當前，陶瓷器件成型工藝有干壓成型、擠壓成型、流延成型等。其中，流延成型工藝廣泛應用于磁帶、塑料和造紙等行業之中，同時也是平板式氧傳感器生產的主要成型工藝，具有自動化程度高、生產速度快、微觀結構均勻、產品質量高等優點，是制備大面積、薄、平的陶瓷或金屬部件的先進工藝。目前有研究人員利用流延成型制備固體電解質與加熱電極間的Al₂O₃絕緣層，也有利用流延成型制備YSZ基片作為氧傳感器的固體電解質基底。

柔韌如紙張的陶瓷生帶

流延成型的工藝流程如下：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，再加入黏結劑和增塑劑，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，黏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。

流延成型法工藝流程

流延成型工藝分類

流延成型工藝根據漿料中所使用的溶劑，可分為有機流延體系和水基流延體系兩種。

水基流延體系以水為溶劑，成功地解決了傳統流延體系中有機溶劑的缺點，具有成本低、無毒、環保等優勢。但由于水基流延存在的干燥時間緩慢、膜帶強度低等問題，會對HTCC工藝中的后續操作產生影響。

有機流延體系則是流延成型技術中最早研究與應用的體系，該體系具有添加劑選擇范圍廣泛、溶劑揮發快、干燥時間短等優點。有機流延體系中包含粉體、有機溶劑、分散劑、黏結劑、塑化劑。有機溶劑的作用是溶解分散劑、黏結劑等其他流延成分；分散劑的作用是將粉體顆粒分散并保持其均勻懸浮性；黏結劑可以將粉體顆粒聚合在一起，由于其能夠決定膜帶的特性，因而是流延配方中除粉體外第二個需要選擇的物質；塑化劑則可作用于黏結劑，增強其可塑性。

不同種類和比例的溶劑、分散劑與添加劑組合產生了不同的流延配方。其中，合理的流延配方能夠制備高質量的流延漿料，提高流延膜帶的品質，有助于制備高性能YSZ氧傳感器固體電解質。通過優化流延漿料配方中黏結劑和塑化劑的用量，獲得能夠提升漿料與膜帶的質量的流延配方，從而制備更高的相對密度和電導率的YSZ陶瓷。

YSZ陶瓷流延成型的黏結劑和塑化劑

一、黏結劑

黏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。選擇黏結劑需要考慮的因素有：（1）素坯的厚度；（2）所選用溶劑的類型及其匹配性，應不妨礙溶劑揮發和不產生氣泡；（3）易于燒除，不留殘余物；（4）能起到穩定漿料和抑制顆粒沉降的作用；（5）有較低的塑性轉變溫度，以確保在室溫下不發生凝結；（6）與襯墊材料不相粘和易于分離。

用于流延成型的黏結劑主要有纖維素類、丙烯酸樹脂類及乙烯基類三種。纖維素類黏結劑只有增稠性能卻難以除泡，丙烯酸樹脂類則黏結性能較低。而在乙烯基類黏結劑中，聚乙烯醇（PVA）是水溶性的，控制其可燃性的通常為水基溶劑體系，聚乙烯醇縮丁醛（PVB）化學性質穩定，容易與復雜的化合物進行反應或配對，相對于其他黏結劑，PVB黏結劑可以與YSZ很好地匹配，且PVB具有良好的柔韌性，可以適應YSZ陶瓷的熱膨脹系數。綜上所述，目前聚乙烯醇縮丁醛（PVB）是最常用的黏結劑，適合YSZ陶瓷膜帶的制備。

二、增塑劑

增塑劑是指在干燥或半干燥狀態下軟化黏結劑的添加劑。與黏結劑相比，它們是分子量較低的有機物，可溶于同一種溶劑中。常用的增塑劑有甘油、聚乙烯和鄰苯二甲酸丁基芐酯等。增塑劑的作用機理是縮短或部分溶解黏結劑主鏈，達到降低黏結劑玻璃轉化溫度的目的，從而使得聚合物長鏈可以無斷裂地伸長或縮短，陶瓷薄片呈現出一定彈性行為。同時，增塑劑的加入提高了聚合物鏈與鏈之間的相互作用，避免了鏈與鏈之間發生交聯反應，有利于陶瓷薄片中粉體的遷移，達到了陶瓷薄片生坯可以發生彎曲而不折斷，為后續干燥和加工工序奠定了基礎。

目前，鄰苯二甲酸丁基芐酯和PVB具有很好的兼容性，可以保持膠體的穩定性，使得YSZ流延漿料中塑化劑和粉體的溶解混合更加均勻，作為塑化劑在流延干燥中十分穩定，因此適合用于制備YSZ陶瓷膜帶。

應用與展望

目前，有研究人員選擇聚乙烯醇縮丁醛PVB作為黏結劑、鄰苯二甲酸丁基芐酯為塑化劑，通過流延工藝制備YSZ陶瓷膜帶，并研究對流延膜帶及燒結后的YSZ陶瓷性能的影響。結果表明，添加劑含量的增加會使流延漿料黏度上升、膜帶厚度下降；并且燒結過程中陶瓷線收縮率與熱失重增大，燒結后的陶瓷密度降低，抗彎曲強度及電導率下降。

經過多年的發展，流延成型工藝已經在陶瓷工業，特別是在電子工業中得到了廣泛的應用。隨著時間的推移，流延成型方法將變得更加成熟，未來我們有望看到更多工藝改進和實際應用。總結來說，釔穩定氧化鋯流延成型工藝是一種具有廣泛應用前景的技術，值得我們進一步研究和發展。

參考文獻

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粉體圈Alex

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