精細陶瓷材料制備工藝包括精細陶瓷材料的粉體制備工藝、成型工藝和燒結工藝。粉體制備、成型和燒結這三者互相聯系，相互制約，相輔相承。目前陶瓷制備工藝的發展水平來看，成型工藝在整個陶瓷材料的制備過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可重復性的關鍵，與規模化和工業化生產直接相關。ZrO₂超細粉體的制備技術在前面文章（發表于粉體圈2016年9月27日）已經介紹，下面著重介紹ZrO2 精細陶瓷材料成型工藝及其應用。

一、ZrO₂ 精細陶瓷成型工藝

ZrO₂ 精細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。其實質是在外力作用下，粉體顆粒在模具內相互靠近，并借內摩擦力牢固地結合起來，保持一定的形狀。它主要用來成型簡單形狀的制品，且長徑比要小。

優點：①坯體尺寸準確，操作簡單，便于實現機械化作業；

②干壓生坯中水分和結合劑含量較少，干燥和燒成收縮較小。

缺點：模具磨損造成的生產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干壓成型基礎上發展起來的特種成型方法。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，從各個方向均勻地向彈性模具內的粉體施加壓力。

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：濕袋式等靜壓可以成型形狀較為復雜的制品，但只能間歇作業。干袋式等靜壓可以實現自動化連續作業，但只能成型截面為方形、圓形、管狀等簡單形狀的制品。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方向均勻收縮，但設備較為復雜、昂貴，生產效率也不高，只適合生產特殊要求的材料。   

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：注漿成型過程與流延成型類似，物理脫水通過多孔的石膏模的毛細作用排除漿料中的水分，化學凝聚過程是因為在石膏模表面CaSO₄的溶解生成的Ca²⁺提高了漿料中的離子強度,造成漿料的絮凝。

優點：注漿成型適合制備形狀復雜的大型陶瓷部件；

缺點：坯體質量，包括外形、密度、強度等都較差，工人勞動強度大且不適合自動化作業。 

（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下脫蠟后得到素坯，素坯再經高溫燒結成瓷。

加熱、熱壓、冷卻脫模

優點：熱壓鑄成型的生坯尺寸精確，內部結構均勻，模具磨損較小，生產效率高，適合各種原料。

缺點：由于蠟漿和模具的溫度需嚴格控制，否則會引起欠注或變形，因此不適合用來制造大型部件，同時兩步燒成工藝較為復雜，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粘結劑、增塑劑、分散劑等充分混合，得到可以流動的粘稠漿料，把漿料加入流延機的料斗，用刮刀控制厚度，經加料嘴向傳送帶流出，烘干后得到膜坯。

優點：該工藝適合制備薄膜材料，

缺點：其成型所用的有機物有毒性，會產生環境污染，應盡可能采用無毒或少毒體系，減少環境污染。

（4）凝膠注模成型：其核心是使用有機單體溶液，該溶液能聚合成為高強度的、橫向連接的聚合物-溶劑的凝膠。陶瓷粉體溶于有機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。

該方法存在主要問題是致密化過程中胚體的收縮率比較高，容易導致胚體變形；有些有機單體存在氧阻聚而導致表面起皮和脫落；由于溫度誘導有機單體聚合工藝，引起溫度剃度導致內應力存在使坯體開列破損等。

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

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

缺點：添加劑價格昂貴。

（6）注射成型：該方法通過添加大量有機物來實現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。

優點：該工藝自動化程度高、成型坯體尺寸精密。

（7）膠態注射成型：其基本思路是將液態成型與注射成型相結合，利用專用的注射成型設備和膠態原位凝固成型的固化技術，進行陶瓷材料的注射成型。

該成型工藝既區別于一般的膠態成型，又區別于傳統的注射成型，將既具有膠態原位凝固成型坯體均勻性好，有機物含量低的特色，又具有注射成型自動化程度高的優點，是膠態成型工藝的一種質的升華，將成為高技術陶瓷走向產業化的希望所在。

二、ZrO2 精細陶瓷的應用

氧化鋯全瓷牙

氧化鋯陶瓷作為一種新型陶瓷材料，具有優異的物理和化學性能，是耐火材料、高溫結構材料、生物材料和電子材料的重要原料，在工業生產中得到廣泛應用。

1、ZrO₂ 結構陶瓷

ZrO₂ 結構陶瓷具有高韌性、抗彎強度和耐磨性，優異的隔熱性能，熱膨脹系數接近于金屬等優點。 用于生產：Y-TZP磨球、分散和研磨介質、噴嘴、球閥球座、氧化鋯模具、微型風扇軸心、光纖插針、光纖套筒、拉絲模和切割工具等。

2、ZrO₂功能陶瓷 

廣泛應用于電力、冶金、石化等行業的氧化鋯氧傳感器

Y₂O₃的 ZrO₂陶瓷具有敏感的電性能參數，是近幾年來發展和開發應用的新材料，主要應用于各種傳感器、第三代燃料電池和高溫發熱體等領域。而且 ZrO2材料高溫下具有導電性及晶體結構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方面的應用： 

（1）氧傳感器 

傳感器主要用于工業生產、監控、品質檢驗，用來提高設備的自動化程度，提高產品的性能，目前氧化鋯氧傳感器已大量應用于鋼鐵制造過程中，用來測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程中鋼鐵的品質是否達到標準。

（2）固體氧化物燃料電池

利用ZrO2作為固體電解質來研制第三代燃料電池—固體氧化物燃料電池，它由用氧化釔穩定的氧化鋯（YSZ）陶瓷給氧離子通電的電解質和由多孔質給電子通電的燃料和空氣極構成。與其他燃料電池比，發電系統簡單，可以期望從容量比較小的設備發展到大規模設備。

（3）高溫發熱體

ZrO₂室溫電阻極高，但當溫度升至 600℃時，即可導電，1000 ℃時，具有導體的性能。目前已將它成功地用于 2000℃以上氧化氣氛下的發熱元件及其設備中。

（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

渦輪葉片是航天發動機熱障涂層

熱障涂層是為在高溫臨界狀態下工作的氣冷金屬部件提供隔熱作用。納米級氧化釔、穩定的氧化鋯（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,化學穩定性好，與基材的結合力和抗熱震性能均優于其他材料，因此，YSZ 是目前理想的熱障涂層材料。其具體應用有航空航天發動機的隔熱涂層，潛艇、輪船柴油發動機氣缸的襯里等。      

投稿作者：李波濤