陶瓷成型方法主要有壓制成型，可塑成型及漿料成型三大類。上一篇小編為大家介紹了陶瓷粉體的壓制成型，本篇小編將與大家繼續(xù)聊一聊可塑成型。可塑成型（plastic forming）是利用模具運動產(chǎn)生的壓力、剪切力及擠壓等外力對具有可塑性的坯料進行加工，迫使坯料在外力的作用發(fā)生塑性變形進而制成坯體的成型方法。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，可塑成型工藝適合生產(chǎn)管、棒和薄片狀的制品，所用的結(jié)合劑較少，但是其所用坯料的含水量較高，干燥熱耗比較大（需要蒸發(fā)大量水分），因此，氣泡、變形開裂等缺陷較多。不過，可塑成型法的坯料制備簡單、所用模具強度要求不高、加工時候的作用力不大、原理與操作容易掌握，因此仍有廣泛的應(yīng)用。

下文將對先進陶瓷可塑成型法中廣泛應(yīng)用的擠壓成型及軋膜成型這兩種成型方法及應(yīng)用做一個簡單的介紹梳理。

圖1 擠出成型示意圖，圖為氧化鋁中加入造孔劑，擠出多孔氧化鋁的示意圖

（圖片來源：Preparation and properties of porous alumina ceramics with uni-directionally oriented pores by extrusion method using a plastic substance as a pore former）

一、擠壓成型法

擠壓成型（也可叫擠出成型，“壓”可以體現(xiàn)粉體的三向壓應(yīng)力狀態(tài)；“出”可以體現(xiàn)粉體從擠壓嘴被擠出的運動形式，叫法不同而已）是將真空煉制的泥料放入擠制機內(nèi)，在外力的作用下通過擠壓嘴（也叫壓模嘴）擠成一定形狀的坯體。在擠壓成型方法中，擠壓嘴就是成型模具，通過更換擠壓嘴可以擠出不同形狀的坯體，也有將擠壓嘴直接安裝在真空練泥機，稱為真空練泥擠壓機。

圖2 湘潭煒達機電有限公司生產(chǎn)的TCJ310蜂窩陶瓷擠出機，可以看出擠出的成型件是柱狀的，設(shè)備也常為臥式。此外，下圖最早擠出的端部有不平整的現(xiàn)象，這是因為擠出成型剛開始的時候，出口處的粉體材料迅速離開模具，未受到模具均勻的擠壓，只有在材料充分流動后，材料才進入穩(wěn)態(tài)流動階段，這時候擠出的成品更為平整，最早擠出的部分可以進行切除。（圖片來源：煒達機電）

從粉體的受力特點來看，大部分顆粒處于較強的三向壓應(yīng)力狀態(tài)下，因而能夠充分發(fā)揮陶瓷粉體的塑性。但是由于陶瓷粉體與擠壓嘴接觸部分摩擦力的存在，使得坯料中部的粉體流速大于坯料表面，這樣會存在一個速度梯度，導(dǎo)致變形的不均勻性。可是材料本身是一個整體，變形的不均勻最終導(dǎo)致附加拉應(yīng)力的產(chǎn)生。這個附加拉應(yīng)力會使得擠出成型的坯料易于發(fā)生分層和開裂的現(xiàn)象。

實際生產(chǎn)中，擠出成型適合于成型管狀和截面一致的制件，擠出的制件長度方向上幾乎不受限制，并且可以通過更換擠壓嘴來控制擠出的形狀。由于擠出成型依靠粉體的塑性流動，因此希望粉體的顆粒度要細，形狀最好為球形。片狀顆粒在擠壓力的作用下會發(fā)生定向排列使得成型坯體呈現(xiàn)各向異性，對制件的性能是不利的。

二、軋膜成型法

軋膜成型（dough rolling）是將準(zhǔn)備好的陶瓷粉末拌以定量的有機粘結(jié)劑和溶劑，通過粗軋和精軋成膜后，再進行沖片成型。其工藝過程主要包括粗軋和精軋兩部分。

粗扎：將預(yù)燒過的粉體（注：預(yù)燒環(huán)節(jié)是為了使粉末顆粒在加熱時產(chǎn)生氣體的分解和體積變化過程提前完成，在后續(xù)的脫膠和燒結(jié)過程中不再發(fā)生，同時使顆粒的比表面積盡可能減小來減少塑化成型劑的用量）磨細過篩，并拌以一定量的有機黏結(jié)劑、增塑劑和溶劑，置于兩輥之間進行混煉，使粉料、黏結(jié)劑或溶劑等成分充分混合均勻。再將其進行熱風(fēng)干燥，使溶劑逐步揮發(fā)，形成一層厚膜。

精軋：精軋是逐步調(diào)小兩軋輥之間縫隙間距并進行多次折疊，90°轉(zhuǎn)向反復(fù)軋煉以達到良好的均勻度、致密度、粗糙度和厚度。軋好的坯片要放在一定的環(huán)境中儲存，防止其干燥脆化，以便進行下一步的沖切工藝。

圖3 軋膜成型示意圖

從受力特點來看，軋膜成型的時候，坯料主要是在厚度方向和沿軋膜方向受到壓力，而在沿軋輥的寬度方向受到的變形壓力很小，這必然會使粉末顆粒的排列呈現(xiàn)一定的方向性，成型的帶坯在寬度方向的致密度偏低，這將導(dǎo)致坯體經(jīng)過干燥、燒成工序之后在寬度方向收縮較大，當(dāng)收縮嚴重時甚至沿縱向發(fā)生開裂現(xiàn)象。因此，在實際生產(chǎn)中，在每次精軋前，會將坯片轉(zhuǎn)向90°來彌補在厚度方向受到軋壓不足的缺點，減小各方向密度差異。但是最后以此精軋所留下的寬度方向軋壓不足的結(jié)果仍然存在。

軋膜成型適合于厚度1mm以下的薄片狀產(chǎn)品，但對厚度在0.08mm以下的、表面光滑的超薄片，還是必須使用流延成型法。

三、應(yīng)用

1、擠出成型應(yīng)用

蜂窩陶瓷是在現(xiàn)代工業(yè)各領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛的一類材料。利用蜂窩陶瓷的大表面積、優(yōu)良抗菌性能、耐腐蝕、耐磨損特點，可作為熔融金屬的過濾、油類的分離過濾、水的凈化以及焦?fàn)t煤氣、甲烷等氣體的分離；利用蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)緊湊的傳熱面、較好的流通性以及不易積灰堵塞的特點，可用作蓄熱體材料；此外，還可作為催化劑載體、保溫隔熱材料等。

圖4 蜂窩陶瓷適合采用擠壓成型法

蜂窩陶瓷的生產(chǎn)常采用擠壓成型法來實現(xiàn)，其配套的設(shè)備生產(chǎn)也非常成熟。圖5為日本宮崎鐵工生產(chǎn)的兩種擠出成型設(shè)備。

圖5 日本宮崎鐵工生產(chǎn)的擠出成型機

山西晉城市富基新材料股份有限公司控股的藍天科技有限公司，是一家以生產(chǎn)蜂窩陶瓷載體為主要產(chǎn)品的公司，組建于2014年，于2016年9月生產(chǎn)線初步落成，其蜂窩陶瓷載體的生產(chǎn)過程為：篩料-配料-混料-捏合-過網(wǎng)練泥-陳腐-活化練泥-真空成段-成形-微波干燥-切割-窖爐燒結(jié)-出爐檢驗。其在實際生產(chǎn)中遇到了產(chǎn)品開裂率高、熱震性能和吸水率不合格等問題，公司初期燒結(jié)后產(chǎn)品開裂率達到70％。后經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，這是由于擠出的蜂窩陶瓷強度較低，在燒結(jié)環(huán)節(jié)由于毛坯表面與內(nèi)部的溫度差過大，造成了內(nèi)外收縮不一致的情況。其后通過一系列窖爐燒結(jié)制度的變化，減小了蜂窩陶瓷內(nèi)外溫度差，將制品的開裂率降到了35％。從如上案例中我們也能發(fā)現(xiàn)，擠出成型雖然設(shè)備要求不高，成本較低，但是擠出來的物料存在強度低、可能產(chǎn)生開裂的問題，在后續(xù)的燒結(jié)過程中，材料不均勻收縮往往會誘發(fā)進一步的分層或開裂現(xiàn)象。

事實上，國內(nèi)外汽車用蜂窩陶瓷載體的工藝流程大體相同，區(qū)別在于生產(chǎn)設(shè)備的先進，國外在生產(chǎn)過程中，采用的臥式成形機的擠壓力大，所用的泥料水分在18％左右，成形時可以輕松擠出，而國內(nèi)一些臥式設(shè)備并不能擠出這樣的泥料。但是，若增加水分含量，設(shè)備能夠勝任，但又會遇到成形件強度不夠的問題。這也可以說是一個亟待解決的問題吧。

2、軋膜成型應(yīng)用

在可塑成型中，擠出成型適合于生產(chǎn)管狀、柱狀及多孔柱狀體，而軋膜成型則適合生產(chǎn)集成電路基片、電容器及電阻等各種片式功能陶瓷元器件。

2017年2月，廣東東方鋯業(yè)科技有限公司公開了一項名為“一種軋膜成型制造氧化鋯陶瓷制品的方法”。該專利致力于解決軋膜成型制造氧化鋯制品過程中存在的黏結(jié)劑無法將氧化鋯有效包裹以及軋膜成型的各向異性問題。其具體方法是利用聚乙烯醇加熱攪拌，完全溶解后加入甘油，冷卻后得到黏結(jié)劑，在練泥過程中，添加了分散劑。這樣做的好處是黏結(jié)劑能夠很好將氧化鋯粉體包裹，使軋膜機運行時，減少軋膜的磨損，并減少了摩擦軋輥而產(chǎn)生的雜質(zhì)進入生坯片中，提高了產(chǎn)品合格率；此外，在粗軋時，各次軋膜調(diào)換軋膜方向，且對膜帶進行冷等靜壓處理，克服了傳統(tǒng)軋膜工藝中膜帶各向異性導(dǎo)致的生坯片在燒結(jié)時各方向收縮不一致的問題。（變更軋膜方向的方法克服各向異性的方法其實早有應(yīng)用，增加一道冷等靜壓工序，實質(zhì)是采用三向靜水壓力的方法消除成型件的各向異性，并使成型件更為致密，提高強度）

總體而言，軋膜成型方法能夠勝任厚度為1mm以下的薄片狀產(chǎn)品，但是厚度在0.08mm以下時，很難得到合格的產(chǎn)品，這時候應(yīng)該采用流延成型法。不過軋膜成型相比流延成型，仍有獨特優(yōu)勢。

研究人員分別通過軋膜和流延成型方法制備了尺寸為38.1 mm×38.1 mm×0.15 mm，介電常數(shù)為25000左右的單層微波電容用陶瓷介質(zhì)基片，并對其差異進行研究。流延工藝制得的樣品表面晶粒總體大小均勻一致，并沒有出現(xiàn)特別小的晶粒，但流延后的表面不致密，存在一定數(shù)量的孔洞和縫隙。與此形成對比的是軋膜工藝制得的樣品表面，雖然晶粒大小不均，參差不齊，但是表面晶粒排布的平整致密，一些大晶粒堆積后出現(xiàn)的孔洞縫隙都由部分小晶粒來填充，所以表面看上去基本沒有出現(xiàn)孔洞的情況，比流延工藝制得的樣品表面要致密平整。因此，軋膜相比流延，由于坯料處于軋輥的壓力下，因而獲得的產(chǎn)品更為致密平整。

圖6 兩種成型方法制得的單層微波電容用陶瓷介質(zhì)基片SEM圖

（圖片來源：成型工藝對高介薄型單層陶瓷電容器電阻性能影響）

小結(jié)

本文介紹了陶瓷粉體可塑成型法中，應(yīng)用最為廣泛的擠壓成型法和軋膜成型法。由于陶瓷粉體本身的塑性差，因此在最終成型之前，將瘠性粉末顆粒與塑化成型劑混合制備具有良好塑性的原材料成為可塑成型法的關(guān)鍵工序。可塑成型法工藝簡單，對設(shè)備要求不高，但缺點是坯料含水量較高，干燥熱耗比較大，制件強度低，可能出現(xiàn)開裂、表面凹坑、氣泡等問題。擠出成型適合生產(chǎn)諸如蜂窩陶瓷類型的柱狀、棒狀產(chǎn)品，而軋膜在薄片狀產(chǎn)品的生產(chǎn)中具有獨特優(yōu)勢，相對于流延成型，由于軋輥力的作用，因而獲得的產(chǎn)品更為致密平整。

參考文獻

1、Preparation and properties of porous alumina ceramics with uni-directionally oriented pores by extrusion method using a plastic substance as a pore former, Toshihiro Isobe, Yoshikazu Kameshima, Akira Nakajima, Kiyoshi Okade.

2、先進陶瓷成型及加工技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，朱海，楊慧敏，朱柏林。

3、成型工藝對高介薄型單層陶瓷電容器電阻性能影響，電子科技大學(xué)，黎俊宇，鐘朝位，張旭。

4、一種軋膜成型制造氧化鋯陶瓷制品的方法，廣東東方鋯業(yè)科技有限公司。

By：火宣