隨著陶瓷在現代工業領域中應用的不斷擴大，行業對陶瓷成型方法的要求也越來越高，為滿足航天、汽車、電子、國防等行業的市場需求，人們要求采用高性能陶瓷的成型方法所成型的坯體應當具有高度均勻性、高密度、高可靠性以及高強度，并在形狀的復雜程度上要求更高。

高性能陶瓷是一種脆性的難加工材料，凈尺寸成型可以減少燒結體的機加工量，近凈成型技術將新材料、新能源、精密模具技術、計算機技術自動化技術等多種高新技術融入傳統的成型技術，使之由粗糙成型變為優質、高效、高精度輕量化、低成本的成型，使成型坯體獲得更優化的性能。

形狀復雜的陶瓷就需要用到新型近凈成型技術

陶瓷近凈成型技術主要類型

1.直接凝固注模成型

直接凝固注模成型(Direct Coagulation Casting，簡稱DCC)是一種原位凝固成型方法，該工藝是在高固相體積分數的濃懸浮體中引入生物酶，通過控制酶對底物的催化分解反應即可改變漿料的pH值移動至等電點或增加反離子濃度壓縮雙電層，從而消除陶瓷顆粒之間的靜電斥力，通過顆粒之間的范德華吸引力形成網絡結構達到懸浮體直接凝固的目的。

簡而言之，就是通過生物酶的催化分解反應，讓漿料中的陶瓷顆粒形成自然凝聚，從而達到凝固效果。

DDC工藝流程

直接凝固注模成型特點是：

（1）可成型各種復雜形狀陶瓷坯體，坯體密度高、均勻性好；

（2）成型用有機物無毒性、含量少(<1 %)，因此干燥坯體可直接燒結，不需脫脂；

（3）模具材料選擇范圍廣（如塑料、金屬、橡膠、玻璃）且加工成本低。

目前該技術的典型應用是用于氧化鋁陶瓷人工膝關節和髖關節的異形件的制備。

但它同樣也有不足：

（1）成型所用陶瓷粉末有局限性，等電點(IEP)的pH值約為9的氧化鋁陶瓷粉 最適合，其它陶瓷粉末成型控制過程復雜；

（2）成型的坯體強度較低，不能進行機械加工。

2.凝膠注模成型

凝膠注模成型(Gel-casting)的基本原理與過程是：首先將陶瓷粉料分散于含有有機單體 和交聯劑的水溶液或非水溶液中，制備出低粘度高固相體積分數的濃懸浮體(>50 %)，然后加入引發劑和催化劑，將懸浮體注入非孔的模具中，在一定的溫度條件下，引發有機單體聚合形成三維網絡凝膠結構，從而導致漿料原位凝固成型為坯體，坯體脫模經干燥后強度很高，可進行機加工。

與直接凝固注模成型有區別的是，這種方法依靠的是催化有機單體在模具中凝聚，形成一個結構框架，從而使陶瓷漿料凝固成想要的形狀，而前者是依靠生物酶的作用改變漿料的性質使之在模具中凝固成型。

凝膠注模成型工藝流程圖

這種方法目前最為成熟且應用最為廣泛的是丙烯酰胺水基體系，它適用于大多數陶瓷粉料，已成功地進行了Al₂O₃、Si₃N₄、SiAlON、SiC、SiO₂、ZrO₂等多種陶瓷的成型制備。

凝膠注模工藝的特點是：

（1）成型坯體的強度很高，干燥后的坯體彎曲強度一般可達20～40 MPa，可以進行機加工以制備形狀更為復雜的部件；

（2）坯體內有機物含量較低（相對于注射成型和熱壓鑄成型），占坯體總質量的(2～4)%，容易通過脫脂除去，不會殘留在燒結后的成品中；

（3）工藝過程較為簡便。

3.注射成型

陶瓷注射成型(Ceramic Injection Molding，簡稱CIM)是在聚合物CIM技術比較成熟的基礎上發展而來的，主要包括幾個步驟：喂料母粒制備→注射成型→脫脂→燒結，比較關鍵步驟是將陶瓷粉料與合適的有機載體（熱塑性樹脂、石蠟等有機物）進行混煉然后干燥、造粒，難點是需要合適的脫脂工藝使坯體不出現變形、開裂、鼓泡等缺陷。

CIM 的工藝流程

陶瓷CIM的最大優點是可以高效率地進行批量生產，且可以對工藝過程進行精確的控制，成型的陶瓷部件尺寸精確。通過陶瓷CIM技術已制備出熱機、發動機用形狀復雜的陶瓷部件和光纖連接器用精細陶瓷插針等。

4.陶瓷無模成型

陶瓷無模成型(Solid Freeform Fabrication，簡稱SFF)的基本原理與過程是：直接利用計算機CAD設計結果，將復雜的三維立體構件經計算機軟件切片分割處理，形成計算機可執行的像素單元文件，然后通過類似計算機打印輸出的外部設備，將要成型的陶瓷粉體快速形成實際的像素單元，一個一個單元疊加的結果即可直接成型出所需要的三維立體構件。

簡而言之就是通過計算機設計，讓陶瓷三維坯體慢慢打印出來。

與傳統成型方法相比固體無模成型技術具有如下特點：

（1）成型過程中無需任何模具或模型參與，制造周期縮短，生產效率得以提高；

（2）成型體幾何形狀及尺寸可隨時用計算機修改，大大縮短新產品的開發時間；

（3）成型打印像素單元尺寸可小至微米級，因此可制備用于生命科學和小衛星的微型電子陶瓷器件；

（4）這種智能技術可提高陶瓷制備工業的整體水平，實現多領域智能化。

目前一些固體無模成型技術在機械制造、高分子等行業已經形成了多種商業化應用，但在陶瓷領域的SFF技術的研究開展相對較晚。比較典型的陶瓷固體無模成型工藝有：熔融沉積成型(簡稱FDC)技術，噴墨打印成型(簡稱IJP)技術，分層實體成型(簡稱LOM)技術。

熔融沉積成型示意圖

目前的應用現狀：

（1）FDC將陶瓷粉和粘結劑制成熔化的細絲，通過噴嘴擠出成型，已在Si₃N₄、Al₂O₃等結構陶瓷的成型中得到較多的研究與開發，可制備出一些陶瓷部件樣品，但陶瓷材料的密度和均勻性有待進一步提高；

（2）IJP將待成型的陶瓷粉與各種有機物配制成陶瓷墨水，通過打印機打印成型，目前的缺陷是陶瓷墨水的固相含量較低，還處于初級研究階段；

（3）LOM由美國的Helisys公司開發并實現商業化，利用激光切割薄片材料疊加焊合成型，非常適合制作層狀復合材料，成型為陶瓷流延薄材。

5.微注入成型

微注入成型(Micro-casting)是一種制備微型陶瓷零部件（尺寸在毫米到微米范圍之內）的新工藝，模具主要通過硅蝕刻等方法制成，注入的原料一般為液態陶瓷前驅體。液態前驅體注入一個模具，發生聚合反應固化、交聯（用熱引發或引發劑光引發）形成一個堅硬的聚合物，聚合物在一定溫度和氣氛條件下熱裂解與燒結，從而轉變為陶瓷部件。

微注入成型流程

總結

以上新的成型技術具有的共同特點是可成型復雜形狀的各種陶瓷部件，并達到近凈尺寸成型目的，同時又具有各自特點，這些成型方法幾乎都可用于真空電子行業中陶瓷部件的制造，尤其是CIM、凝膠注模成型、DCC技術已趨成熟，在國際上已得到較廣泛的應用。

近凈成形技術符合現代綠色加工的理念，伴隨著科技的進步發展，近凈成形裝備和技術的進步、工藝和加工過程的精確控制，更多復雜形狀的高性能陶瓷材料會得到更廣泛的應用，近凈成型技術應用于陶瓷成型領域是陶瓷工藝未來發展的主要方向之一。

參考來源：

1.精密陶瓷部件近凈成型技術的發展，謝志鵬、苗赫濯 （清華大學材料科學與工程系）；

2.陶瓷成型方法研究進展，劉學建、黃莉萍、古宏晨、符錫仁（中科院上海硅酸鹽研究所、華東理工大學）。

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