氧化鋁陶瓷是氧化物中最穩(wěn)定的物質(zhì)之一，具有高的機械特性和高的電絕緣性與低的介電損耗等特點，在航天航空、機械、電子、汽車等領(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，尤其對于微型結(jié)構(gòu)件（毫米級），其它的成型方法幾乎無能為力。表1展示了各種不同的成型方法。

表1 成型方法對比(資料來源：精密陶瓷結(jié)構(gòu)件注射成型制備工藝研究)

陶瓷注射成型（CIM）的出現(xiàn)為氧化鋁陶瓷的成型加工帶來了新的解決方法。該工藝主要包括喂料、注射成型、脫脂和燒結(jié)四個階段。其基本過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，利用注射成型機將喂料注入模具模腔內(nèi)冷凝成型，經(jīng)過脫脂工藝去除粘結(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)四個步驟)

氧化鋁陶瓷喂料制備

喂料制備是將陶瓷粉體與適量的有機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，對其研究和優(yōu)化也集中在這兩個方面。

粉體性質(zhì)

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程中流動性好、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，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，喂料的粘度降低，有利于注射過程完成。

粘結(jié)劑

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)流動特性好，注射成型黏度適中，且黏度隨溫度不能波動太大，以減少缺陷產(chǎn)生；

(2)對粉體的潤濕性和粘附作用好；

(3)具有高導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)；

(4)一般由多組分有機物組成，單一有機粘結(jié)劑很難滿足流動性要求。

圖2 CIM粘結(jié)劑體系一般由低熔點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

注射成型

注射成型過程是指，混煉后的注射混合料于注射成型機內(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。

注射成型過程是一個不可壓縮、非等溫、非穩(wěn)態(tài)流動過程，其工藝參數(shù)控制不當(dāng)會使產(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)對提高成品率和材料的利用率至關(guān)重要。注射成型過程工藝參數(shù)涉及溫度、成型周期、壓力、速度四個方面，具體參數(shù)如表3所示。

表3 注射成型過程四大工藝參數(shù)

脫脂

脫脂又稱排膠，是指通過加熱或其它方法，將注射成型胚體內(nèi)的有機物排除。

脫脂過程是注射成型工藝中耗時最長的一道工序，也是質(zhì)量控制最為關(guān)鍵的一道工序，脫脂不當(dāng)會造成眾多的制品缺陷。常見的脫脂工藝包括熱脫脂、溶劑脫脂等。對于氧化鋁陶瓷的注射成型，起初主要采用熱脫脂，簡單地把有機物燒除，這種方法能耗高、時間長，對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，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，使得燒結(jié)后的最終產(chǎn)品性能大大提高。例如，Marc Ferrato^[3]在對氧化鋁的超臨界脫脂工藝進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)可在較短時間內(nèi)獲得無缺陷的注射成型生坯。表4比較了幾種常見的脫脂工藝。

表4 幾種常見的脫脂工藝

燒結(jié)

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。該工藝過程和一般陶瓷致密化燒結(jié)大同小異，包括無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)等。

總結(jié)

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，其無愧為異形精密氧化鋁陶瓷的高效成型方法，在國內(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，對于其注射成型工藝的研究還須深入。目前來看，喂料制備和脫脂過程仍是該工藝的技術(shù)難點，因此對其進(jìn)一步研究也將從以下方面展開：

（1）不規(guī)則氧化鋁粉末顆粒注射成型的研究。粉體性能對于成品質(zhì)量有很大影響，很多實驗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)中對于利用高品質(zhì)粉體生產(chǎn)，成本會相當(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的困難，是工業(yè)生產(chǎn)必須解決的一個環(huán)節(jié)。

（2）粘結(jié)劑的研究。若能開發(fā)新的粘結(jié)劑體系，有效增大混料的裝載量，甚至開發(fā)出無粘接劑技術(shù)，這樣能夠大大提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)工藝流程的優(yōu)化。

（3）脫脂過程的研究。利用計算機技術(shù)，可以模擬和控制脫脂時間和脫脂質(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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