陶瓷薄片材料的成型工藝

流延成型法最早應(yīng)用于造紙、油漆和塑料等領(lǐng)域，是一種歷史悠久的成型技術(shù)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、可連續(xù)操作、生產(chǎn)效率高、坯體性能均一等的特點(diǎn)，非常適用于大面積、超薄陶瓷基片的制備。

　　隨著近年來(lái)的研究和開(kāi)發(fā)，流延成型法不僅可以用于Al2O3、AlN電路基板、BaTiO3基多層電容器及ZrO2固體燃料電池等的制備，它還逐漸擴(kuò)展到金屬、合金以及有機(jī)材料等領(lǐng)域。

　　流延成型工藝過(guò)程

　　流延法制備過(guò)程主要包括漿料制備、流延成型、生坯干燥、脫脂以及燒結(jié)幾個(gè)環(huán)節(jié)。首先將陶瓷粉體與分散劑加入溶劑（水或有機(jī)溶劑）中，通過(guò)球磨或超聲波振蕩打開(kāi)顆粒團(tuán)聚，并使溶劑潤(rùn)濕粉體，再加入粘結(jié)劑和增塑劑，通過(guò)二次球磨得到穩(wěn)定、均一的漿料；再將漿料在流延機(jī)上進(jìn)行成型得到素坯；然后進(jìn)行干燥，使溶劑蒸發(fā)，粘結(jié)劑在陶瓷粉末之間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，得到素坯膜；接著對(duì)素坯膜進(jìn)行機(jī)加工，得到所需要的特定形狀；最終通過(guò)排膠和燒結(jié)處理得到所需要的成品。

流延成型工藝流程圖

流延設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

　　流延成型的漿料及選擇

　　流延成型用到的原料主要包括陶瓷粉料、溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑，必要時(shí)還需要除泡劑和勻化劑等。

　　陶瓷粉體

　　陶瓷粉體是流延成型漿料的主要部分，陶瓷粉體的性質(zhì)直接影響最終產(chǎn)品的性能。陶瓷粉體的選擇原則是：（1）嚴(yán)格控制陶瓷粉體的雜質(zhì)含量。陶瓷粉體的化學(xué)組成和特性會(huì)影響甚至能控制最終燒結(jié)材料的收縮率和顯微結(jié)構(gòu)，所以必須嚴(yán)格控制陶瓷粉體中的雜質(zhì)含量。（2）嚴(yán)格控制陶瓷粉體的顆粒尺寸和形貌。陶瓷粉體的顆粒尺寸和形貌對(duì)顆粒堆積以及漿料的流變性能會(huì)產(chǎn)生重要影響。為了使陶瓷生坯中粉體顆粒堆積致密，粉體的尺寸必須盡可能的小，但是顆粒尺寸越小比表面積越大，所需有機(jī)添加劑越多，導(dǎo)致陶瓷燒結(jié)收縮率增加，燒結(jié)體密度減小。陶瓷顆粒尺寸的最佳范圍一般為1~4μm，比表面積為2~5m2/g，顆粒形貌以球形為佳。

　　溶劑

　　溶劑的主要作用是溶解粘結(jié)劑、增塑劑和其他添加劑，分散粉粒，并為漿料提供合適的粘度。在溶劑的選擇上首先要考慮以下幾個(gè)因素：（1）能很好地溶解分散劑、粘結(jié)劑和增塑劑；（2）能分散陶瓷粉料；（3）在漿料中保持化學(xué)穩(wěn)定性，不與粉料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（4）提供漿料合適的粘度；（5）能在適當(dāng)?shù)臏囟认抡舭l(fā)與燒除；（6）保證素坯無(wú)缺陷固化；（7）使用安全，對(duì)環(huán)境污染少且價(jià)格便宜。通常采用的是二元機(jī)溶劑如乙醇/甲乙醇、乙醇/水、乙醇/三氯乙烯等。

　　分散劑

　　陶瓷粉體在溶劑中的分散程度對(duì)素坯的性能有顯著影響。由于流延成型所使用的粉體顆粒很小，具有較高的表面能，粉體顆粒有聚合的趨勢(shì)，使?jié){料變得不穩(wěn)定。因此，流延漿料需要添加特殊的分散劑，用以制約顆粒的團(tuán)聚程度以及團(tuán)聚體的強(qiáng)度。分散劑的主要作用是使陶瓷粉體表面潤(rùn)濕，降低顆粒的表面勢(shì)能并使顆粒之間的勢(shì)壘升高，從而達(dá)到穩(wěn)定漿料的目的。常用的分散劑有磷酸酯、乙氧基化合物、鯡魚(yú)油、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸以及銨鹽等。

　　粘結(jié)劑和增塑劑

　　粘結(jié)劑是連接陶瓷顆粒，目的是使生坯具備一定的強(qiáng)度。需要注意的是：所選粘結(jié)劑要與溶劑匹配，有利于溶劑的揮發(fā)和不產(chǎn)生氣泡；有較低的塑性轉(zhuǎn)變溫度，以確保室溫下不發(fā)生凝結(jié)；能起到穩(wěn)定漿料和抑制顆粒沉降的作用。增塑劑的加入是為了保證素坯膜的柔韌性，降低粘結(jié)劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使粘結(jié)劑在較低的溫度下，鏈分子在外力的作用下卷曲和伸展，增加形變量。通常采用的粘結(jié)劑與增塑劑的組合為PVB/DBP、PVA/PEG，也采用兩種增塑劑組合，如PVB/DBP+DOP。

　　流延成型工藝的分類(lèi)

　　有機(jī)流延成型工藝

　　有機(jī)流延溶劑體系（即傳統(tǒng)流延工藝）研究和應(yīng)用較早，在陶瓷制備的應(yīng)用上已經(jīng)較為成熟。其常用溶劑有甲苯、二甲苯、乙醇和三氯乙烯等，實(shí)際生產(chǎn)中則常用乙醇/甲苯、乙醇、三氯乙烯等二元共沸溶劑等。

有機(jī)流延成型工藝

　　由于有機(jī)溶劑的相容性、易揮發(fā)、低蒸發(fā)潛熱、低表面張力以及可防止陶瓷粉體水化的特點(diǎn)，因此，有機(jī)流延成型體系具有添加劑選擇范圍較廣泛、溶劑揮發(fā)快、干燥時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn)，易得到結(jié)構(gòu)均勻、坯體缺陷尺寸較小、強(qiáng)度高柔韌性較好的陶瓷薄板。但是有機(jī)溶劑具有一定的毒性，不可避免的給人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)危害，且生產(chǎn)成本較高，成品有機(jī)物含量較高、密度較低、排膠過(guò)程易開(kāi)裂，這些都制約著有機(jī)流延成型的發(fā)展。

　　水基流延成型工藝

　　水基流延成型漿料是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，主要由陶瓷粉體、水、分散劑、粘結(jié)劑、塑性劑以及其它添加劑組成。水基流延體系克服了有機(jī)流延體系對(duì)環(huán)境有危害、成本高、成品密度低等缺點(diǎn)，適合用于大規(guī)模生產(chǎn)。但水基流延體系存在以下主要問(wèn)題：溶劑蒸發(fā)速率低；粘結(jié)劑含量高排膠時(shí)素坯收縮率大；由于氫鍵的存在，粉體多團(tuán)聚；對(duì)工藝參數(shù)的變化敏感，素坯膜的質(zhì)量較低；素坯脆性大，干燥時(shí)容易開(kāi)裂等。

　　水基凝膠流延成型工藝

　　水基凝膠流延成型工藝是利用有機(jī)物單體聚合的原理進(jìn)行流延成型。該法是將陶瓷粉體、分散劑和增塑劑加入有機(jī)單體和交聯(lián)劑的混合溶液中，制備出低黏度并具有高固相體積分?jǐn)?shù)(體積分?jǐn)?shù)大于50%)的濃懸浮液。然后加入引發(fā)劑和催化劑后，控制溫度并引發(fā)單體發(fā)生聚合反應(yīng)，使懸浮體的黏度增大，從而發(fā)生原位凝固成型，最后制備出具有一定強(qiáng)度并且適合機(jī)加工的坯體。

水基凝膠流延成型工藝

　　凝膠流延成型工藝不僅顯著降低漿料中有機(jī)物的用量，而且提高固相體積分?jǐn)?shù)，提高產(chǎn)品的密度和強(qiáng)度，有利于資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的構(gòu)建。

　　紫外引發(fā)流延成型

紫外引發(fā)流延成型工藝

　　基于水基流延成型的不足，人們?cè)诔尚蜋C(jī)理上進(jìn)行了改進(jìn)，利用紫外引發(fā)原位聚合機(jī)制，將紫外光敏單體、紫外光聚合引發(fā)劑加入漿料中并引發(fā)紫外原位聚合反應(yīng)，使?jié){料原位固化成型。相對(duì)傳統(tǒng)的流延成型工藝，紫外引發(fā)流延成型工藝只要在普通流延機(jī)加上紫外光源即可完成，免去了最容易造成材料成型失敗的干燥過(guò)程。