常見的陶瓷材料為 Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂ 等，陶瓷材料的化學(xué)鍵大都為離子鍵和共價(jià)鍵，因此具備一些獨(dú)特的性能。例如硬度極高，一般為1000-5000HV，耐磨性極高，彈性模量高，剛度高，抗壓強(qiáng)度極高，同時(shí)其抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度低，塑性、韌性低，脆性大，在常溫下幾乎沒有塑性，難以進(jìn)行塑性加工。另外其熔點(diǎn)很高，大都在2000℃以上，具有很高的耐熱性能，化學(xué)性能穩(wěn)定，是目前國(guó)際上頂尖的耐火材料。同時(shí)其抗氧化性能優(yōu)越，對(duì)酸、堿、鹽具有良好的耐腐蝕性，而且大多數(shù)陶瓷都具有高電阻率，少數(shù)具有半導(dǎo)體性能，許多陶瓷具有光學(xué)性能、電磁性能等特殊性能，在航空、工業(yè)、光纖通訊行業(yè)應(yīng)用廣泛。過去我國(guó)生產(chǎn)的陶瓷粉體材料與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)品有較大差距，納米陶瓷原料長(zhǎng)期以來被日本等發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷，陶瓷高端應(yīng)用領(lǐng)域如光纖通訊行業(yè)、航空航天行業(yè)一直受國(guó)外原材料限制。最近十年以來，我國(guó)國(guó)產(chǎn)的陶瓷瓷粉末原料發(fā)展迅速，絕大部分性能已經(jīng)和日本產(chǎn)的陶瓷材料持平，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域，特別是今年5G通訊領(lǐng)域的全面發(fā)展，國(guó)產(chǎn)的陶瓷產(chǎn)業(yè)迎來了爆發(fā)式增長(zhǎng)。部分陶瓷制品如圖1所示。

圖1

陶瓷粉末注射成型工藝如圖2所示，主要包括選擇粘結(jié)劑和粉末原料、混料造粒，注射成型、脫脂、燒結(jié)等等。

1）粘結(jié)劑的選擇
陶瓷粉末作為一種無機(jī)材料，其粉末形狀多為不規(guī)則形狀，粉末本身的流動(dòng)性能很差，如果采用注射成型必須使其獲得部分高分子材料的性能，比如增加材料的流動(dòng)性，并且在注塑成型時(shí)維持胚體的形狀等，那么就需要在陶瓷粉末原料中增加粘結(jié)劑。粘結(jié)劑能夠在注射成型階段和陶瓷粉末均勻融合，降低粉末的粘度，使其獲得良好的流動(dòng)性，另外，粘結(jié)劑能夠在注射成型后使胚胎能夠很好的維持原有的形狀，使產(chǎn)品在燒結(jié)前具有合適的形狀。主要的陶瓷粉末對(duì)應(yīng)的粘結(jié)劑型號(hào)如表1所示。

通過將陶瓷粉末和粘結(jié)劑進(jìn)行混合，制備成小球狀或者顆粒狀形成原料便于加工，在配置原料時(shí)，粘結(jié)劑的選擇應(yīng)達(dá)到如下的效果：①易于在模腔內(nèi)流動(dòng)且不出現(xiàn)粉末與粘結(jié)劑分離的現(xiàn)象；②制品脫模后制品保持完整；③可迅速將萃取性粘結(jié)劑去除；④可完全將骨架性粘結(jié)劑去除；⑤在燒結(jié)過程中，制品形狀保持完整一致；⑥盡可能的少收縮且收縮均勻。

2）膠粒制備
在陶瓷粉末注射成型過程中，制備膠粒是首要的步驟，而且非常重要，因?yàn)榛炝系男阅軐?duì)注射、脫脂、燒結(jié)等后續(xù)生產(chǎn)過程都有重要影響?；炝蠒r(shí)首先粉料必須干燥，避免粉末力的水分降低粉末與粘結(jié)劑的濕潤(rùn)性，使混合變得困難。其次，必須將粉末和粘結(jié)劑進(jìn)行粗混，使其粘結(jié)一體，才能進(jìn)行剪切制料。而且制料過程中，必須嚴(yán)格控制制料的溫度，因?yàn)闇囟冗^低，喂料的粘度增大，會(huì)導(dǎo)致喂料和擠出機(jī)之間的磨損帶入雜質(zhì)，還可能導(dǎo)致在喂料過程中夾入氣體；溫度太高，會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)劑中低分子量有機(jī)物揮發(fā)，惡化粘結(jié)劑性能導(dǎo)致粘結(jié)劑和粉料分離。為了保證混料良好的均化，避免注射成型或后處理過程中出現(xiàn)相關(guān)問題，在制料過程中，粉末與粘結(jié)劑混合時(shí)的溫度在粘結(jié)劑軟化點(diǎn)以上。另外，還需要控制擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速高容易造成剪切力過大引起螺桿磨損，進(jìn)而引入雜質(zhì)。轉(zhuǎn)速慢則不能產(chǎn)生適當(dāng)?shù)募羟辛?，從而?dǎo)致粘結(jié)劑粘度過低，使得混煉均勻變得困難。尤其對(duì)于細(xì)小粉末顆粒成型的微型構(gòu)件，陶瓷原料必須在較高的剪切速率下才有低的粘度，提高剪切速率可以減少粉末團(tuán)聚得到更均勻的混料。但是，剪切速率必須限制在一定范圍內(nèi)，這取決于粘結(jié)劑組分，以防止粘結(jié)劑分解和避免擠出機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)磨損。膠粒制備工藝爐如圖3所示。

3）注射成型參數(shù)
注射成型需要的設(shè)備是注塑機(jī)，如圖4所示。注射成型過程容易產(chǎn)生缺陷，且大部分缺陷只有在脫脂和燒結(jié)完成后才能被發(fā)現(xiàn)，因此對(duì)不同的陶瓷制品采用最佳的注射工藝參數(shù)，得到無缺陷的注射生胚就具有重要意義。在注射成型參數(shù)中，注射壓力、注射速度和注射過程溫度控制是影響注射生胚質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

注射壓力——陶瓷粉末注射成型體的密度對(duì)注射壓力的依賴性不及塑料那么顯著，這是因?yàn)閮煞N體系的物性不同，塑料呈熔融狀態(tài)時(shí)，具有較大的壓縮性，隨著壓力的增大，其比容（單位重量的體積）減小，響應(yīng)密度增大；而對(duì)于陶瓷注射的混合物料，少量的熱塑性塑料包覆在固體顆粒表面，并且由于較多的增塑劑、潤(rùn)滑劑的相互作用，這些小分子有機(jī)物進(jìn)入到高分子長(zhǎng)鏈中使其纏繞性減小，宏觀上彈性減小。再者，由于有機(jī)載體呈現(xiàn)連續(xù)相分布，固體顆粒間無空隙，故陶瓷注射混合料幾乎不具有彈性或者打的壓縮性。因此，對(duì)于陶瓷注射成型的胚體，適當(dāng)增大注射壓力的主要作用是克服充模過程中的阻力損失，保證充模完全，而不是靠壓縮熔體來獲得高密度。一般注射壓力通常認(rèn)為20-200MPa之間，這與具體材料有關(guān)。注射壓力過小會(huì)影響充模過程的完整，引起欠注；增大注射壓力有利于充模過程的流動(dòng)性，單可能在胚體內(nèi)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，引發(fā)飛邊或斷裂。陶瓷材料密度對(duì)注射壓力有一定的敏感性，壓力過大時(shí)制品內(nèi)部會(huì)存在氣體，因?yàn)閴毫^大會(huì)使得充模熔體速率急劇增大，在模腔表面很快形成封閉殼層，以致內(nèi)部氣體排出困難，而容易包裹在成形體內(nèi)形成殘留氣泡。當(dāng)充模完全時(shí)，注射壓力對(duì)成形體密度的影響甚微。

注射速度——注射速度對(duì)生胚質(zhì)量的影響較小，注射速度過快會(huì)因?yàn)榕艢獠蛔愣股咧挟a(chǎn)生氣孔，也會(huì)因?yàn)樗俣冗^快出現(xiàn)噴射現(xiàn)象，帶來表面紋等缺陷；注射速度太慢則會(huì)使先期注入的喂料過度冷卻，而在產(chǎn)品中出現(xiàn)分層等缺陷。在陶瓷粉末注射成型過程中很容易出現(xiàn)噴射現(xiàn)象，這是由較高的材料密度（較大的慣性）、較小的膨脹率（高填充物）和較低的壁面摩擦引起的。在充模時(shí)間較短的情況下，陶瓷粉末材料需要在很短的時(shí)間內(nèi)冷卻定型，那么需要降低注射壓力配合熔體充模的流動(dòng)速度來完成冷卻定型，注射壓力的降低就意味著注塑時(shí)間的延長(zhǎng)；在足夠長(zhǎng)的充模時(shí)間里，金屬粉末材料開始冷卻且粘度降低，這樣可以很好地抵消流速降低引起的壓力減小。不同注射速度小膠料充模示意圖如圖 5 所示。

注射過程溫度控制——注射過程溫度控制包括料筒溫度控制和模具溫度控制。注射過程溫度也是陶瓷材料成型過程的一個(gè)重要參數(shù)，其基本的要點(diǎn)是注射過程中不能產(chǎn)生粘結(jié)劑體系和粉末的兩項(xiàng)分離，若模溫不合適，則常會(huì)引起充模不完整，或發(fā)生胚塊斷裂。熔體溫度對(duì)成形體的影響是復(fù)雜的，若從充模的效果考慮，提高熔體溫度較增加壓力更為有利，因?yàn)楦叩娜垠w溫度在不同程度上均可降低熔體粘度，對(duì)充模有利。但過高的溫度容易導(dǎo)致粘結(jié)劑的揮發(fā)，使有機(jī)物總量的減少?gòu)亩绊懻扯?。而且揮發(fā)物若不能從模具內(nèi)有效排除、會(huì)夾雜在胚體內(nèi)，形成氣孔等缺陷。由于陶瓷注射混合料幾乎不具有壓縮性，單純?cè)龃笞⑸鋲毫?huì)產(chǎn)生較大的成型應(yīng)力。特別是大體積的樣品，模腔中心部位熔體冷卻比澆口要遲，容易產(chǎn)生極大的不均勻應(yīng)力。陶瓷粉末成型過程中想要降低注射壓力，模溫控制尤為重要，模具溫度和注射壓力的關(guān)系如圖6所示。

其他注意事項(xiàng):
①注塑螺桿——因?yàn)樘沾刹牧嫌捕雀?，所以注射螺桿組件的材質(zhì)必須有足夠的耐磨性才能保證生產(chǎn)過程中不被磨損，螺桿組件材質(zhì)一般采用特殊的高硬度合金鋼，防止螺桿組件磨損給陶瓷粉末形成污染，另外螺桿設(shè)計(jì)壓縮比不能太大，一般為1-1.6，主要是使得粉末流體在料桶內(nèi)流動(dòng)順暢，避免發(fā)生堵塞。不同于吸熱塑化的膠料，陶瓷粉末原料由于具有更高的熱導(dǎo)率，它比聚合物加熱更快。因此，為了避免粘結(jié)劑發(fā)生熱降解，通常發(fā)熱圈的溫度不會(huì)太高，料筒的長(zhǎng)度相對(duì)較短，一般不超過直徑的18倍，確保模具的精確填充和陶瓷材料在料筒加熱區(qū)的原料停留時(shí)間，避免長(zhǎng)時(shí)間停留造成原料粉末分解。

②開模速度和壓力——因?yàn)樘沾煞勰┡唧w的分子間的作用力較一般的膠料成型小很多，所以，在胚體成型時(shí)開模力需要盡量小，速度要盡量放緩，避免胚體上粉末因?yàn)殚_模力過大而脫離胚體本身，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

4）脫脂
脫脂是通過加熱或其他物理方法將胚體內(nèi)的有機(jī)物排除并產(chǎn)生少量燒結(jié)的過程。注射成型過程中加入的粘結(jié)劑較多，需低溫脫脂，才能進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。脫脂是一個(gè)重要階段，也是注射成型工藝中耗時(shí)最長(zhǎng)的一道工序，也是質(zhì)量控制最為關(guān)鍵的一道工序，它在某種程度上決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。陶瓷材料中絕大部分缺陷都是在脫脂階段形成，比如裂紋、氣孔、變形、鼓泡等情況，而且在脫脂過程中產(chǎn)生的缺陷也是無法通過后期的燒結(jié)階段來彌補(bǔ)的。脫脂的方式有熱脫脂、溶劑萃取脫脂、虹吸脫脂和催化脫脂等等，幾種脫脂工藝的優(yōu)劣如表2所示。一個(gè)成功的脫脂過程就是要保證粘結(jié)劑能連續(xù)平穩(wěn)地從成型胚中脫除。由于脫脂過程的復(fù)雜性涉及到許多因素，包括粉末的影響、粘結(jié)劑的影響，喂料和粘結(jié)劑的流變與燒結(jié)性能等等，在保證制品形狀和尺寸精度的前提下，應(yīng)盡量縮短脫脂時(shí)間和簡(jiǎn)化脫脂工藝，滿足其在系統(tǒng)化和規(guī)模化方面需求，為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供條件。

5）燒結(jié)
燒結(jié)是胚體在高溫下致密化過程和現(xiàn)象的總稱，是指成型后的胚體在低于熔點(diǎn)的高溫作用下，通過胚體間顆粒相互粘結(jié)和物質(zhì)傳遞，實(shí)現(xiàn)排除氣孔，收縮體積，提高強(qiáng)度的功能，使胚體逐漸變成具有一定的幾何形狀和堅(jiān)固燒結(jié)體的致密化成品。隨著溫度升高，陶瓷胚體中具有比表面大，表面能較高的粉粒，力圖向降低表面能的方向變化，不斷進(jìn)行物質(zhì)遷移，晶界隨之移動(dòng)，氣孔逐步排除，產(chǎn)生收縮，使胚體成為具有一定強(qiáng)度的致密的瓷體。燒結(jié)的推動(dòng)力為顆粒的表面能，為降低燒結(jié)溫度，擴(kuò)大燒成范圍，通常加入一些添加物作助溶劑，形成少量液相，促進(jìn)燒結(jié)。燒結(jié)陶瓷件的密度取決于粉末粒子分布和燒結(jié)參數(shù)，可以通過燒結(jié)程序處理來提高密度。由于燒結(jié)過程中粉末壓實(shí)，胚料會(huì)發(fā)生線性收縮，因?yàn)樘沾商沾深w粒比較細(xì)，線性收縮率小，尺寸精度可達(dá)±0.1%。燒結(jié)工藝流程及設(shè)備如圖7所示。