單組分的氧化鋁陶瓷材料在強度、硬度、耐磨性、耐蝕性和絕緣性等方面具有明顯優勢，但韌性不足，使其在某些領域使用時的可靠性和安全性大大降低。在氧化鋁陶瓷中添加第二相或引入顆粒、晶須、纖維制備成氧化鋁基復合材料，可改善氧化鋁陶瓷的韌性、抗熱震性和疲勞強度，也可形成陶瓷功能材料，大大擴展了其應用范圍。

近凈成形技術是一種成本低、生產工序少、成形精度高和材料利用率高的先進加工技術。將其應用于陶瓷基復合材料加工，可實現工藝和加工過程的精確控制，可以讓更多復雜形狀的高性能氧化鋁陶瓷基復合材料會得到更廣泛的應用。

化纖紡絲用氧化鋁復合陶瓷導絲器

近凈成形技術的不斷發展使得制備形狀復雜的近凈成形氧化鋁陶瓷基復合材料成為可能，下文將對激光近凈成形、偽半固態觸變成形、凝膠注模成型、粉末注射成形這幾種近凈成型在氧化鋁陶瓷基復合材料制備中的應用做簡單介紹。

1、激光近凈成形

技術簡介：首先構建CAD零件三維模型進行分層切片數據處理，然后在快速成

型設備上根據各個截面的數據，利用激光有選擇的進行固化和燒結，逐步疊加形成三維制品。

激光近凈成形技術

示例：氧化鋁（Al₂O₃）和氧化鋯（ZrO₂）復合陶瓷修復體能再現天然牙色澤，生物學性能好，能承擔較大咀嚼載荷。傳統制作方式采用粉漿涂塑、玻璃滲透燒結，存在著工藝繁瑣，加工周期長等問題。目前主要應用牙科CAD/CAM系統、采用數控切削的方式對預制的機械加工陶瓷坯材進行去材加工成型后再燒結。若采用致密燒結的高強度陶瓷作為坯材，其可切削性能差，切削效率低、刀具磨損大。為了解決這些問題，以“Procera All-ceram”為代表的牙科CAD/CAM系統采用了切削陶瓷粉末壓結體或部分燒結體的方法進行加工成型，切削后再對修復體進行完全燒結，降低了切削難度。但是，切削去材加工的方式造成了材料的大量浪費，增加了制作成本；同時，壓結體的制備需要較為復雜的設備和工藝條件，而二次燒結費時、費力，燒結時的體積收縮也十分明顯，影響了修復體的制作精度。

牙科全瓷修復體材料

選擇性激光熔覆（SelectiveLaserMelting，SLM）是一種先進的快速增材制造技術，以粉末材料為原料，激光輻照掃描能使粉末材料熔化并快速凝固，在計算機控制下逐層堆積成型致密度達100%的零件，不受結構復雜性限制。它具有的主要優勢為：①增材制造，材料的利用率高；②一次成型，減少了加工操作的步驟，降低了成本和難度；③激光速熔速凝的加工方式賦予了成型材料更加均勻一致的組織結構和優異的力學性能。因為這些優勢，SLM技術被迅速應用于材料加工的各個領域內，成為目前國內外研究的熱點。但利用SLM技術加工陶瓷材料的研究較少，已知的研究發現在進行陶瓷材料成型時會存在成分偏析和成型件開裂等問題，成型陶瓷件的力學性能不足。

劉治②在其發明專利中等提出了一種新的新的用于SLM成型的Al₂O₃/ZrO₂粉末材料及其制備方法,可在經過激光熔覆成型后形成內部組織結構均一,無明顯物相偏析的口腔用Al₂O₃/ZrO₂復相陶瓷材料,所采用的制備方法為利用電磁感應加熱爐以及激光器對粉床進行二次預熱,到預定預熱溫度后進行激光熔覆成型。可以有效減小陶瓷材料成型時熔池內外的溫度梯度,降低內部熱應力,減少材料表面及內部裂紋的生成,提高其力學性能。采用該粉末配比以及制備方法成型的SLMAl₂O₃/ZrO₂復相陶瓷材料內部組織均勻一致,無物相偏析,表面及內部無明顯裂紋生成,力學性能較好,有望在將來作為全瓷冠,橋及嵌體的材料應用于口腔修復臨床。

2、偽半固態觸變成形

將適量的延性金屬引入到陶瓷材料中可在保持陶瓷材料高強高硬特性的同時有效提高陶瓷材料的斷裂韌度。韌性的提高主要來源于延性金屬相對裂紋的橋聯作用和橋聯區金屬的塑性變形及斷裂所耗散的能量。

金屬增韌的Al/Al₂O₃復合材料，在強度提高的同時塑性卻大大降低（相對于金屬鋁而言），難以用普通的成型方法獲得形狀復雜的零件。國內外研究學者主要采用高溫直接氧化工藝和原位反應工藝制備Al/Al₂O₃復合材料。與之相比，偽半固態觸變模鍛成形工藝制備的復合材料有較高的力學性能。程遠勝等③采用不同成形工藝制備的37%Al/Al₂O₃復合材料并對其力學性能進行比較原位反應及高溫氧化制備的復合材料制件抗彎強度分別為430MPa及367MPa，斷裂韌性分別為10.8MPa?m^1/2及13MPa?m^1/2；而偽半固態模鍛成形制件抗彎強度及斷裂韌性分別為690MPa和13MPa?m^1/2。

偽半固態觸變成形工藝

偽半固態觸變成形是將金屬--陶瓷混合粉末冷壓成形，制成一定形狀的坯料，然后在一定壓力作用下將二次重熔的固液態坯料進行模鍛成形，該工藝實現了近凈成形形狀復雜的金屬陶瓷零件。

金屬／氧化鋁復合材料偽半固態觸變成形工藝流程

備注：常見金屬/陶瓷的潤濕性和相容性都很差，Al/Al₂O₃復合材料在1000℃沒有任何燒結現象。為了改善二者之間的潤濕性，可采用陶瓷粉體預先熱處理及添加合金元素Mg的方法。Al₂O₃顆粒的預先熱處理可以減少或消除顆粒表面吸附的雜質和氣體，提高與液態鋁的潤濕性能。熱處理工藝是約900℃，保溫1~2h。Mg作為一種表面活性元素吸附和富集在鋁液表面或Al/Al₂O₃界面處，降低鋁液表面張力和界面張力。

3、凝膠注模成型

凝膠注模是將傳統的陶瓷粉體成型與有機物原位聚合相結合的一種新型成型工藝，為制備高性能、復雜結構的多孔陶瓷提供了一條新途徑。這是一種前景廣闊、實用性強的近凈成形技術，它設備簡單、成型坯體密度高、強度高、收縮小，易成形形狀復雜零部件，在航空航天、生物制造、隔音降噪等領域具有廣闊的應用前景。

凝膠注模成型工藝流程

工藝起源及特點：凝膠注模工藝是在20世紀90年代初期，由美國橡樹嶺國家重點實驗室的Omatete等提出并研發的，其將高分子單體聚合靈活地引入到粉體成型中，實現了有機聚合物化學反應與傳統陶瓷粉體成型工藝結合，可制備近凈尺寸、高強度的均勻坯體。

目前，多孔陶瓷的制備方法有顆粒堆積法、添加造孔劑法、發泡法、有機泡沫浸漬法以、冷凍干燥法及凝膠注模法等。其中，顆粒堆積法與添加造孔劑法制備的多孔陶瓷氣孔率不高，且氣孔均勻性差；發泡法的孔徑大小較難控制，且坯體強度較低；有機泡沫浸漬法不能制備小孔徑、閉氣孔的制品；冷凍干燥法需要特殊的冷凍設備。而凝膠注模作為一種新工藝可與不同成孔方法相結合而制備高性能多孔陶瓷，因此受到廣泛關注與研究。

與其它成型工藝相比，凝膠注模法有以下顯著優點：對粉體性能要求低，適用范圍廣；近凈尺寸成型，可制備結構復雜的陶瓷部件；孔隙率高的同時，坯體強度高，且坯體均勻性好；工藝過程簡單，工藝參數容易控制，生產周期短，成本低廉。

4、粉末注射成形

將銅顆粒加入到氧化鋁基體中，它能通過使基體裂紋偏轉或鈍化、以及銅顆粒本身的拔出或釘扎等幾種方式來阻礙氧化鋁基體的裂紋擴展，提高材料的斷裂韌性與抗彎強度，從而能夠改善氧化鋁的力學性能。另外，氧化鋁基體中引入金屬銅，能改善金屬與氧化鋁兩相的結合狀態發揮二者的協同作用，得到同時具有陶瓷和金屬優點的復合材料。

陶瓷注射成形（CIM）創造性地結合了塑料工業的注射成形技術而發展起來的一門新興的近凈成形技術。該技術廣泛應用于汽車、醫療、軍工、電子、機械和日用品等行業，適合大批量制造三維形狀復雜的零部件。燒結產品的物理、化學和機械性能接近鍛件，復雜形狀和高精度可以和塑料制品媲美。

喬斌等⑤采用注射成形方法在一定得工藝條件下制備了Cu /Al₂O₃復合材料，研究了銅的含量對復合材料性能的影響，結果表明:銅含量為 10% 時，復合材料具有最佳綜合性能。通過掃描電鏡觀察了復合材料的斷口形貌，分析了其斷裂機制，表明 Cu /Al₂O₃復合材料斷裂時存在沿晶斷裂、穿晶斷裂以及銅顆粒的拔出三種方式，且三者比例依次降低。

陶瓷注射成形（CIM）的基本工藝過程可分為４個階段：喂料制備、注射成形、脫脂和燒結。

與傳統的干壓成形技術相比，CIM具有以下優勢：

1）成形過程自動化程度高，可大批量生產形狀復雜、尺寸精度高、體積小的陶瓷部件；

2）成形的陶瓷生坯件結構密實，質量分布均勻，最終燒結后的性能也優于傳統成形的產品；

3）CIM是一種近凈尺寸成形工藝，生產出的產品具有極高的尺寸精度和表面光潔度，無需（或只需微量）后續加工，大幅降低生產成本，在傳統成形工藝中，后期的尺寸精度加工占整個陶瓷制備成本的30％左右。

參考資料：

1、氧化鋁陶瓷基復合材料的近凈成形制備技術研究現狀；淮海工學院機械工程學院，尚峰，喬斌賀毅強，李化強，孫偉等；徐州工程學院江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設實驗，尚峰，喬斌；中國礦業大學機電工程學院，曹振偉。

2、專利：氧化鋁/氧化鋯SLM陶瓷粉末材料及其制備方法；中國人民解放軍第四軍醫大學；高勃，劉治，楊海鷗，宋闞，王偉娜，吳江。

3、Al/Al₂O₃復合材料偽半固態觸變模鍛成形；哈爾濱工業大學材料科學與工程學院；程遠勝，羅守靖。

4、凝膠注模制備多孔陶瓷的研究進展；西安建筑科技大學材料與礦資學院，賀輝，張穎，張軍戰，張海昇等著。

5、銅含量對注射成形 Cu /Al2O3復合材料性能的影響；江蘇省海洋資源開發研究院，喬斌；中國礦業大學，付廣柱、董炎鋒；淮海工學院，賀毅強、馮立超、李化強。

編輯：Alpha