單組分的氧化鋁陶瓷材料在強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐蝕性和絕緣性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但韌性不足，使其在某些領(lǐng)域使用時(shí)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(fù)合材料，可改善氧化鋁陶瓷的韌性、抗熱震性和疲勞強(qiáng)度，也可形成陶瓷功能材料，大大擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。

近凈成形技術(shù)是一種成本低、生產(chǎn)工序少、成形精度高和材料利用率高的先進(jìn)加工技術(shù)。將其應(yīng)用于陶瓷基復(fù)合材料加工，可實(shí)現(xiàn)工藝和加工過程的精確控制，可以讓更多復(fù)雜形狀的高性能氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

化纖紡絲用氧化鋁復(fù)合陶瓷導(dǎo)絲器

近凈成形技術(shù)的不斷發(fā)展使得制備形狀復(fù)雜的近凈成形氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料成為可能，下文將對(duì)激光近凈成形、偽半固態(tài)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(fù)合材料制備中的應(yīng)用做簡(jiǎn)單介紹。

1、激光近凈成形

技術(shù)簡(jiǎn)介：首先構(gòu)建CAD零件三維模型進(jìn)行分層切片數(shù)據(jù)處理，然后在快速成

型設(shè)備上根據(jù)各個(gè)截面的數(shù)據(jù)，利用激光有選擇的進(jìn)行固化和燒結(jié)，逐步疊加形成三維制品。

激光近凈成形技術(shù)

示例：氧化鋁（Al₂O₃）和氧化鋯（ZrO₂）復(fù)合陶瓷修復(fù)體能再現(xiàn)天然牙色澤，生物學(xué)性能好，能承擔(dān)較大咀嚼載荷。傳統(tǒng)制作方式采用粉漿涂塑、玻璃滲透燒結(jié)，存在著工藝繁瑣，加工周期長(zhǎng)等問題。目前主要應(yīng)用牙科CAD/CAM系統(tǒng)、采用數(shù)控切削的方式對(duì)預(yù)制的機(jī)械加工陶瓷坯材進(jìn)行去材加工成型后再燒結(jié)。若采用致密燒結(jié)的高強(qiáng)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(tǒng)采用了切削陶瓷粉末壓結(jié)體或部分燒結(jié)體的方法進(jìn)行加工成型，切削后再對(duì)修復(fù)體進(jìn)行完全燒結(jié)，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(fèi)，增加了制作成本；同時(shí)，壓結(jié)體的制備需要較為復(fù)雜的設(shè)備和工藝條件，而二次燒結(jié)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，燒結(jié)時(shí)的體積收縮也十分明顯，影響了修復(fù)體的制作精度。

牙科全瓷修復(fù)體材料

選擇性激光熔覆（SelectiveLaserMelting，SLM）是一種先進(jìn)的快速增材制造技術(shù)，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(jì)算機(jī)控制下逐層堆積成型致密度達(dá)100%的零件，不受結(jié)構(gòu)復(fù)雜性限制。它具有的主要優(yōu)勢(shì)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(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能。因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)，SLM技術(shù)被迅速應(yīng)用于材料加工的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。但利用SLM技術(shù)加工陶瓷材料的研究較少，已知的研究發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行陶瓷材料成型時(shí)會(huì)存在成分偏析和成型件開裂等問題，成型陶瓷件的力學(xué)性能不足。

劉治②在其發(fā)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(jīng)過激光熔覆成型后形成內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均一,無(wú)明顯物相偏析的口腔用Al₂O₃/ZrO₂復(fù)相陶瓷材料,所采用的制備方法為利用電磁感應(yīng)加熱爐以及激光器對(duì)粉床進(jìn)行二次預(yù)熱,到預(yù)定預(yù)熱溫度后進(jìn)行激光熔覆成型。可以有效減小陶瓷材料成型時(shí)熔池內(nèi)外的溫度梯度,降低內(nèi)部熱應(yīng)力,減少材料表面及內(nèi)部裂紋的生成,提高其力學(xué)性能。采用該粉末配比以及制備方法成型的SLMAl₂O₃/ZrO₂復(fù)相陶瓷材料內(nèi)部組織均勻一致,無(wú)物相偏析,表面及內(nèi)部無(wú)明顯裂紋生成,力學(xué)性能較好,有望在將來(lái)作為全瓷冠,橋及嵌體的材料應(yīng)用于口腔修復(fù)臨床。

2、偽半固態(tài)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(qiáng)高硬特性的同時(shí)有效提高陶瓷材料的斷裂韌度。韌性的提高主要來(lái)源于延性金屬相對(duì)裂紋的橋聯(lián)作用和橋聯(lián)區(qū)金屬的塑性變形及斷裂所耗散的能量。

金屬增韌的Al/Al₂O₃復(fù)合材料，在強(qiáng)度提高的同時(shí)塑性卻大大降低（相對(duì)于金屬鋁而言），難以用普通的成型方法獲得形狀復(fù)雜的零件。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要采用高溫直接氧化工藝和原位反應(yīng)工藝制備Al/Al₂O₃復(fù)合材料。與之相比，偽半固態(tài)觸變模鍛成形工藝制備的復(fù)合材料有較高的力學(xué)性能。程遠(yuǎn)勝等③采用不同成形工藝制備的37%Al/Al₂O₃復(fù)合材料并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行比較原位反應(yīng)及高溫氧化制備的復(fù)合材料制件抗彎強(qiáng)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(tài)模鍛成形制件抗彎強(qiáng)度及斷裂韌性分別為690MPa和13MPa?m^1/2。

偽半固態(tài)觸變成形工藝

偽半固態(tài)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(tài)坯料進(jìn)行模鍛成形，該工藝實(shí)現(xiàn)了近凈成形形狀復(fù)雜的金屬陶瓷零件。

金屬／氧化鋁復(fù)合材料偽半固態(tài)觸變成形工藝流程

備注：常見金屬/陶瓷的潤(rùn)濕性和相容性都很差，Al/Al₂O₃復(fù)合材料在1000℃沒有任何燒結(jié)現(xiàn)象。為了改善二者之間的潤(rùn)濕性，可采用陶瓷粉體預(yù)先熱處理及添加合金元素Mg的方法。Al₂O₃顆粒的預(yù)先熱處理可以減少或消除顆粒表面吸附的雜質(zhì)和氣體，提高與液態(tài)鋁的潤(rùn)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(tǒng)的陶瓷粉體成型與有機(jī)物原位聚合相結(jié)合的一種新型成型工藝，為制備高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷提供了一條新途徑。這是一種前景廣闊、實(shí)用性強(qiáng)的近凈成形技術(shù)，它設(shè)備簡(jiǎn)單、成型坯體密度高、強(qiáng)度高、收縮小，易成形形狀復(fù)雜零部件，在航空航天、生物制造、隔音降噪等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

凝膠注模成型工藝流程

工藝起源及特點(diǎn)：凝膠注模工藝是在20世紀(jì)90年代初期，由美國(guó)橡樹嶺國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Omatete等提出并研發(fā)的，其將高分子單體聚合靈活地引入到粉體成型中，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)聚合物化學(xué)反應(yīng)與傳統(tǒng)陶瓷粉體成型工藝結(jié)合，可制備近凈尺寸、高強(qiáng)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(fā)泡法、有機(jī)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(fā)泡法的孔徑大小較難控制，且坯體強(qiáng)度較低；有機(jī)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(shè)備。而凝膠注模作為一種新工藝可與不同成孔方法相結(jié)合而制備高性能多孔陶瓷，因此受到廣泛關(guān)注與研究。

與其它成型工藝相比，凝膠注模法有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：對(duì)粉體性能要求低，適用范圍廣；近凈尺寸成型，可制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷部件；孔隙率高的同時(shí)，坯體強(qiáng)度高，且坯體均勻性好；工藝過程簡(jiǎn)單，工藝參數(shù)容易控制，生產(chǎn)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(zhuǎn)或鈍化、以及銅顆粒本身的拔出或釘扎等幾種方式來(lái)阻礙氧化鋁基體的裂紋擴(kuò)展，提高材料的斷裂韌性與抗彎強(qiáng)度，從而能夠改善氧化鋁的力學(xué)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(jié)合狀態(tài)發(fā)揮二者的協(xié)同作用，得到同時(shí)具有陶瓷和金屬優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料。

陶瓷注射成形（CIM）創(chuàng)造性地結(jié)合了塑料工業(yè)的注射成形技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一門新興的近凈成形技術(shù)。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、軍工、電子、機(jī)械和日用品等行業(yè)，適合大批量制造三維形狀復(fù)雜的零部件。燒結(jié)產(chǎn)品的物理、化學(xué)和機(jī)械性能接近鍛件，復(fù)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(fù)合材料，研究了銅的含量對(duì)復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果表明:銅含量為 10% 時(shí)，復(fù)合材料具有最佳綜合性能。通過掃描電鏡觀察了復(fù)合材料的斷口形貌，分析了其斷裂機(jī)制，表明 Cu /Al₂O₃復(fù)合材料斷裂時(shí)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(gè)階段：喂料制備、注射成形、脫脂和燒結(jié)。

與傳統(tǒng)的干壓成形技術(shù)相比，CIM具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）成形過程自動(dòng)化程度高，可大批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸精度高、體積小的陶瓷部件；

2）成形的陶瓷生坯件結(jié)構(gòu)密實(shí)，質(zhì)量分布均勻，最終燒結(jié)后的性能也優(yōu)于傳統(tǒng)成形的產(chǎn)品；

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

參考資料：

1、氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料的近凈成形制備技術(shù)研究現(xiàn)狀；淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，尚峰，喬斌賀毅強(qiáng)，李化強(qiáng)，孫偉等；徐州工程學(xué)院江蘇省大型工程裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)，尚峰，喬斌；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)；高勃，劉治，楊海鷗，宋闞，王偉娜，吳江。

3、Al/Al₂O₃復(fù)合材料偽半固態(tài)觸變模鍛成形；哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；程遠(yuǎn)勝，羅守靖。

4、凝膠注模制備多孔陶瓷的研究進(jìn)展；西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，賀輝，張穎，張軍戰(zhàn)，張海昇等著。

5、銅含量對(duì)注射成形 Cu /Al2O3復(fù)合材料性能的影響；江蘇省海洋資源開發(fā)研究院，喬斌；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，付廣柱、董炎鋒；淮海工學(xué)院，賀毅強(qiáng)、馮立超、李化強(qiáng)。

編輯：Alpha