引言
隨著技術(shù)的進(jìn)步，高性能陶瓷以其優(yōu)異的耐高溫、高強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕等性能和優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、機(jī)械、石油、汽車、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域的候選材料。
國外某權(quán)威研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為日本在結(jié)構(gòu)陶瓷研究之所以處于世界領(lǐng)先地位的主要原因之一在于陶瓷成型技術(shù)。因此成型工藝作為制備高性能陶瓷材料及部件的關(guān)鍵技術(shù)，它不僅是材料設(shè)計(jì)和材料配方實(shí)現(xiàn)的前提，而且是降低陶瓷制造成本，提高材料可靠性尤為重要的環(huán)節(jié)。
1 高性能陶瓷產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的困局
目前高性能陶瓷的應(yīng)用面臨的兩大問題是陶瓷的制造成本高和使用性能的可靠性差。由于陶瓷的制造成本高，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的價(jià)格高，無法與金屬及其復(fù)合材料競爭，因此目前只能用于一些特殊領(lǐng)域。
高技術(shù)陶瓷由于硬度高質(zhì)脆，不像金屬那樣可以加工成各種各樣的形狀，其中陶瓷機(jī)加工的成本幾乎占到陶瓷制造成本的1／3 2／3，主要是因?yàn)樘沾刹考某尚秃茈y達(dá)到近凈尺寸成型。
原因在于傳統(tǒng)的陶瓷注射成型技術(shù)來源于高分子材料的注塑成型，將大量的高分子粘結(jié)劑與陶瓷粉體混練在一起，然后通過注射成型機(jī)制備各種復(fù)雜形狀的陶瓷零部件。因此，采用傳統(tǒng)陶瓷制備工藝和裝備很難獲得顯微結(jié)構(gòu)均勻、無缺陷和近凈尺寸陶瓷部件。
另外，陶瓷材料的性能分散性大，即陶瓷材料的可靠性差，特別是結(jié)構(gòu)陶瓷又硬又脆既難加工又容易產(chǎn)生突發(fā)性的斷裂，因而導(dǎo)致高技術(shù)陶瓷的制造成本高、性能離散性大、產(chǎn)品生產(chǎn)再現(xiàn)性和使用性能可靠性差等。使許多領(lǐng)域不敢涉足陶瓷產(chǎn)品。如果上述兩個(gè)問題不解決，高性能陶瓷的市場就很難打開局面。
2 陶瓷注射成型技術(shù)的發(fā)展
成型工藝作為制備高性能陶瓷材料及部件的關(guān)鍵技術(shù)，正不斷取得突破性進(jìn)展。
陶瓷注射成型技術(shù)來源于高分子材料的注塑成型，借助高分子聚合物在高溫下熔融、低溫下凝固的特性來進(jìn)行成型的，成型之后再把高聚物脫除。比傳統(tǒng)的陶瓷加工工藝要簡單的多，能制造出各種復(fù)雜形狀的高精度陶瓷零部件，且易于規(guī)模化和自動(dòng)化生產(chǎn)。
起初的陶瓷成型注射技術(shù)是將大量的高分子樹脂與陶瓷粉體混練在一起后得到混合料，然后裝入注射機(jī)于一定溫度注入模具，迅速冷凝后脫模而制成坯體。該技術(shù)適合制備濕坯強(qiáng)度大，尺寸精度高，機(jī)械加工量少，坯體均一的產(chǎn)品，適于大規(guī)模生產(chǎn)。對形狀復(fù)雜、厚度較薄產(chǎn)品的制備有著明顯的優(yōu)越性。但是由于含有大量的高分子粘結(jié)劑，使陶瓷坯體的脫脂成為不可逾越難題，并且有毛坯易變形，容易形成氣孔等缺點(diǎn)。
陶瓷注射成型使用的有機(jī)載體包括粘接劑、增塑劑、潤滑劑等。有機(jī)載體的選擇重點(diǎn)考慮：體系內(nèi)的相容性；注射懸浮體的流變特性；脫模特性與生坯強(qiáng)度。通常有機(jī)載體與陶瓷粉體混練后的結(jié)合強(qiáng)度主要取決于熱塑性樹脂高聚物；脫脂特性亦可由耐熱性好的高聚物調(diào)節(jié)；可塑劑和潤滑劑可改善體系流動(dòng)性及脫模性能；表面活性劑具有綜合調(diào)節(jié)作用。
在熔體注射充模冷凝形成坯體的過程中，坯體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力有兩種，即溫度應(yīng)力和成型應(yīng)力。對異型、大尺寸坯體的注射參數(shù)和充模過程的研究表明，過高的注射壓力和注射溫度使坯體內(nèi)產(chǎn)生較大的成型應(yīng)力和溫度應(yīng)力，增大了坯體變形和開裂的危險(xiǎn)性。
由于注射成型加入大量有機(jī)載體，燒結(jié)前必須將其排除，即進(jìn)行脫脂。脫脂耗時(shí)較長，容易使坯體產(chǎn)生缺陷。因此，脫脂是注射成型工藝的關(guān)鍵。影響脫脂過程的因素主要有：氣氛、壓力和溫度制度。惰性氣氛可避免有機(jī)物的氧化分解。一定的氣氛壓力，可縮小有機(jī)物揮發(fā)及分解產(chǎn)生的有效體積．從而減少由于體積膨脹引起的坯體開裂。另外，脫脂速率也直接受溫度影響。在坯體軟化，內(nèi)部尚未形成氣孔通道的溫度段150-300℃，升溫速率必須嚴(yán)格控制。否則，坯體易發(fā)生變形、產(chǎn)生鼓泡及開裂等缺陷。
為了避開陶瓷注射成型技術(shù)使用大量高分子粘結(jié)劑的缺點(diǎn)，九十年代后陶瓷成型技術(shù)的研究逐漸轉(zhuǎn)向含有少量有機(jī)物的水基膠態(tài)成型技術(shù)的研究，新的成型技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如美國橡樹里國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的凝膠注模成型工藝、瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)發(fā)明的直接凝固注模成型技術(shù)等等。總之，21世紀(jì)在非塑性水基漿料的膠態(tài)成型方面取得了很大進(jìn)展。
