中國粉體網訊 科技的發展進步，對先進陶瓷的要求也不再局限于小尺寸且形狀規則的陶瓷成品，各種大尺寸或者復雜形狀精密陶瓷部件也在被越來越多的領域追求。此類陶瓷在集成電路制造、航空航天、深海探測、醫藥醫學等領域有著廣泛的應用，傳統的陶瓷成型技術無論是陶瓷部件的成型質量，還是成型精度方面，都滿足不了要求。
陶瓷身上特有的耐磨抗造，強度、硬度雙加持，讓它在不少領域大顯身手，當然它高硬脆性的特點又決定了陶瓷成型之路的艱辛。對于此類大尺寸或者復雜形狀精密陶瓷部件制備過程極具挑戰性，而注凝成型技術啃下了這個“硬骨頭”。
注凝成型的優勢
注凝成型是基于有機單體黏結劑原位聚合形成高分子網絡，將粉末顆粒凝聚在一起的一項技術。注凝成型的優勢之處在于：
1）對粉體無特殊要求，可制備出大尺寸和復雜形狀及壁厚的部件；
2）模具可選用多種材料，成型周期短；
3）濕坯和干坯強度高，可進行機械加工，坯體有機物含量低，坯體和燒結體性能均勻性好，工藝過程易控制，工藝過程和操作較為簡單；
4）設備簡易，成本低廉。
注凝成型工藝流程圖
注凝成型的制備工藝很好理解，沒有過多的復雜步驟，只不過復雜的是注凝成型技術中所需的溶劑很大程度會影響到制備工藝。
1、根據所需采用的溶劑是否為水溶液
通常將注凝成型凝膠體系分為兩大體系：非水基凝膠體系和水基凝膠體系。
非水基凝膠體系，采用的常見溶劑為醇、烴、醚和酮等有機溶劑。該體系具有本身黏度低，在發生交聯反應溫度點具備較低的蒸汽壓，主要缺點是有機物溶液會造成環境污染，不利于環保；
水基凝膠體系，該體系目前主要為丙烯酸酯體系和丙烯酰胺（AM）體系，由于水基注凝成型工藝操作簡單、原材料成本低且利于環保，因此成為近年來最為活躍的陶瓷注凝成型方法之一。
但是AM的神經毒性等級為4級，具有極強的水溶性，可以通過皮膚、黏膜等進入人體。因此迫切需要開發一種低毒或無毒的注凝成型體系。
2、根據有機聚合方式
（1）自由基反應體系：自由基聚合反應中，氧氣具有阻礙聚合的作用，從而導致生坯表面發生剝落現象，因此對氣氛有一定要求。
（2）親核加成反應體系：有效地防止因氧氣阻礙了自由基聚合產生的表面剝離現象，這是空氣條件下陶瓷水凝膠澆注的重要因素。
（3）天然凝膠體系：環保問題愈發引人關注，天然凝膠體系得以發展。
注凝成型的關鍵工藝不止一個
1、低粘度、高固相含量料漿的制備
注凝成型制備高性能陶瓷部件的關鍵是低粘度、高固相含量的穩定料漿的制備。料漿的固相含量決定了生坯的體積密度，漿體的黏度決定了是否成型，所以對于料漿的制備與性能的研究至關重要。
分散劑的含量是配制高固相含量陶瓷料漿的關鍵技術之一。添加分散劑是通過靜電排斥力和空間位阻的穩定作用來實現高固相料漿，分散劑對陶瓷顆粒有極強的親和性，與溶液有較高的相容性，充分伸展可形成空間位阻穩定層，并可電離出離子產生靜電排斥，空間位阻與靜電斥力產生復合穩定作用。
空間位阻穩定機理示意圖
陶瓷懸浮液的粘度受分散劑和固含量的影響，分散劑加入量過少或過多會導致懸浮液穩定性變差，只有選擇適量，使顆粒表面處于飽和吸附狀態時，分散性最好，可使其具有懸浮穩定性；固含量增加，陶瓷懸浮液的粘度也會隨之增大，確定最佳的固含量是成功制備低粘度料漿的關鍵。
固含量對漿料粘度的影響
pH值對料漿的穩定性影響也很大。pH值不同，粉體表面帶電狀況不同，即會改變其Zeta電位，Zeta電位的改變直接影響了粒子間的靜電斥力，從而影響了漿體的穩定性。
顆粒尺寸對漿料粘度也有影響。當顆粒尺寸減小時相應的比表面積增大，所吸附水的總量就會增多，因此，漿料中自由水減少，料漿粘度增加。此外，粉體越細越易團聚，團聚的顆粒包裹水，導致一部分水損失，這也是料漿粘度升高的重要因素。
2、陶瓷坯體的安全干燥
注凝成型得到的坯體含有較高的水分，干燥過程中水分蒸發快，收縮率高，坯體就容易產生開裂；另外，凝膠化的坯體干燥過程是一個復雜且緩慢的過程，特別是大尺寸的坯體，更容易產生不均勻干燥收縮引起結構應力和殘余應力的集中，從而導致坯體變形、翹曲等問題。
注凝成型氧化鋯坯體在PEG10000熔液中(a)和在空氣中(b)的干燥情況
（圖片來源：超細ZrO2注凝成型液體干燥及燒結研究）
坯體的安全干燥對于解決尺寸精度以及裂紋的形成和擴展等問題非常重要。根據坯體內水分蒸發所獲取熱能的方式不同，干燥方法可以分為熱空氣干燥、電熱干燥、輻射干燥、冷凍干燥等，還有新型的液體干燥。
熱空氣干燥：設備簡單，操作方便，但是熱效率低，干燥周期長，干燥過程不易控制，容易出現開裂、翹曲等情況，尤其是在生坯部件很大的情況下。
電熱干燥：干燥速度快，由于坯體中含水高的地方電流大，干燥快，反之含水少的地方干燥慢，整體干燥過程非常均勻。
輻射干燥：不需要任何干燥介質，保證了坯體的清潔；設備簡單，操作方便，易于自動化；干燥速度快，干燥較均勻。
液體干燥：水分能均勻析出，避免干燥不均勻而開裂；坯體完全浸入液體中，不會產生毛細作用力，減小翹曲和開裂。
3、坯體的機械加工
大多數的陶瓷具有高硬度、高強度的性能特點，導致其不容易變形；加之，陶瓷的脆性，使其加工困難。陶瓷的精加工是通過微變形或在加工點去除材料來完成的，加工的方法有多種，但目前主要加工方法還是機械加工。
注凝成型可以制作形狀復雜，密度高，均勻性好，強度相對較高，具有一定的塑性的坯體，這滿足生坯機械加工的要求，適合工業生產，并且能準確控制生坯的尺寸和形狀，降低了生坯的加工量、加工難度和原材料的浪費，進而減少了燒結產品加工量以及加工過程引起的缺陷以及裂紋擴展問題，提高了加工的安全性，提高陶瓷的可靠性。
注凝成型在多孔材料、復合材料、功能材料領域已經得到廣泛研究，作為一種新型的近凈尺寸成型工藝，它的優點之多是傳統注漿成型無法比擬的。今后一段時間內，研究低粘度、高固相體積分數懸浮漿料的制備、改進現有的凝膠體系、尋找高效無毒的新型凝膠體系、開拓新的應用領域、加快工業化生產和自動化控制設備的開發仍將是注凝成型研究的重點。
參考來源：
馬征：氧化鋁陶瓷精密部件制備技術的研究
周書助等：注凝成型技術的研究與進展
肖玲等：注凝成型及其燒結工藝研究進展
田靚：原位自生氧氮化硅助劑熔融石英陶瓷材料注凝成型及致密化機理的研究
王傳創等：氧化鋯陶瓷注凝成型工藝研究進展
（中國粉體網編輯整理/空青）
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