氧化鋁陶瓷是氧化物中穩(wěn)定的物質(zhì)之一，具有高的機(jī)械特性和高的電絕緣性與低的介電損耗等特點(diǎn)，在航天航空、機(jī)械、電子、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。
在成型技術(shù)上，由于氧化鋁陶瓷硬度高，脆性大，難以切削加工，特別是加工形狀復(fù)雜、精度要求高的異形零部件，存在較大難度，尤其對(duì)于微型結(jié)構(gòu)件（毫米級(jí)），其它的成型方法幾乎無能為力。表展示了各種不同的成型方法。
表 成型方法對(duì)比
陶瓷注射成型（CIM）的出現(xiàn)為氧化鋁陶瓷的成型加工帶來了新的解決方法。該工藝主要包括喂料、注射成型、脫脂和燒結(jié)四個(gè)階段。其基本過程為在氧化鋁陶瓷粉末中加入粘結(jié)劑，并使其混合均勻，形成具有粘塑性的喂料，在加熱狀態(tài)下，利用注射成型機(jī)將喂料注入模具模腔內(nèi)冷凝成型，經(jīng)過脫脂工藝去除粘結(jié)劑后，便可用于燒結(jié)。
(不同的顏色屬于不同的工藝步驟，分別為喂料制備、注射成型、脫脂、燒結(jié)四個(gè)步驟)
氧化鋁陶瓷喂料制備
喂料制備是將陶瓷粉體與適量的載體按一定配比在一定溫度下進(jìn)行混煉，然后干燥、造粒，得到注射喂料。用作注射成型的氧化鋁陶瓷喂料需要具備足夠高的固含量，良好的流變性以及熱力學(xué)穩(wěn)定性。喂料的性能主要取決于粉體的性質(zhì)和粘結(jié)劑的選擇，因此，對(duì)其研究和優(yōu)化也集中在這兩個(gè)方面?！笍?fù)合耐磨彎管」
粉體性質(zhì)
粉體的平均粒度、松裝密度、粉末形狀、比表面積、顆粒間隙等決定了所制備喂料的性質(zhì)，進(jìn)而影響終產(chǎn)品的質(zhì)量。對(duì)于氧化鋁粉體，重要的要求是粒徑細(xì)小、形狀規(guī)則，這樣的粉末在注射成型過程中流動(dòng)性好、填充量大，燒結(jié)收縮率低。
研究表明[]，當(dāng)氧化鋁陶瓷喂料固含量相同時(shí)，包裹氧化鋁粉體所需的粘結(jié)劑用量隨粉體比表面積的減小而減小，粉體之間容易流動(dòng)，喂料的粘度降低，有利于注射過程完成。
粘結(jié)劑
粘結(jié)劑是陶瓷粉體的載體，決定了喂料注射成形的流變性能和注射性能。良好的粘結(jié)劑可起到形狀維持的作用，且能減少胚體變形和脫脂缺陷的產(chǎn)生。
氧化鋁陶瓷注射成型粘結(jié)劑要具備以下條件：
()流動(dòng)特性好，注射成型黏度適中，且黏度隨溫度不能波動(dòng)太大，以減少缺陷產(chǎn)生；
(2)對(duì)粉體的潤(rùn)濕性和粘附作用好；
(3)具有高導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)；
(4)一般由多組分物組成，單一粘結(jié)劑很難滿足流動(dòng)性要求。
氧化鋁陶瓷粉末CIM的常用粘接劑和其對(duì)應(yīng)的脫脂方法如表2所示[2]。目前氧化鋁注射成型中為常用的粘接劑由石蠟（PW）、聚丙烯（PP）和硬脂酸（SA）等組成。部分研究者用EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）代替PP，用植物油代替SA，同時(shí)也有研究者將EVA和PP各占一定的比例進(jìn)行混合。
表2 氧化鋁陶瓷粉末注射成型的粘接劑及脫脂方法
|
|
粘接劑體系
|
脫脂方法
|
|
Al2O3
|
PP/HDPE/EVA/PS/LDPE/VA+PW+SA
|
熱脫脂
|
|
Al2O3/Si3N4
|
PP，PW，SA
|
溶劑脫脂
|
|
Al2O3/ZrO2
|
PP/PEG
|
水基萃取脫脂
|
|
Al2O3
|
POM
|
催化脫脂
|
注射成型
注射成型過程是指，混煉后的注射混合料于注射成型機(jī)內(nèi)被加熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎吵硇匀垠w，在一定的溫度和壓力下高速注入金屬模具內(nèi)，冷卻固化為所需形狀的胚體，然后脫模。
注射成型過程是一個(gè)不可壓縮、非等溫、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程，其工藝參數(shù)控制不當(dāng)會(huì)使產(chǎn)品產(chǎn)生眾多缺陷，而這些缺陷直到脫脂和燒結(jié)后才能被發(fā)現(xiàn)，所以控制和優(yōu)化注射工藝參數(shù)對(duì)提高成品率和材料的利用率關(guān)重要。注射成型過程工藝參數(shù)涉及溫度、成型周期、壓力、速度四個(gè)方面，具體參數(shù)如表3所示。
表3 注射成型過程四大工藝參數(shù)
|
|
材料溫度
|
|
注射壓力
|
|
油缸溫度
|
保壓壓力
| ||
|
模具溫度
|
背壓壓力
| ||
|
成型周期
|
注射時(shí)間
|
|
注射速度
|
|
保壓時(shí)間
|
送料速度
| ||
|
冷卻時(shí)間
|
-----------
|
脫脂又稱排膠，是指通過加熱或其它方法，將注射成型胚體內(nèi)的物排除。
脫脂過程是注射成型工藝中耗時(shí)長(zhǎng)的一道工序，也是質(zhì)量控制為關(guān)鍵的一道工序，脫脂不當(dāng)會(huì)造成眾多的制品缺陷。常見的脫脂工藝包括熱脫脂、溶劑脫脂等。對(duì)于氧化鋁陶瓷的注射成型，起初主要采用熱脫脂，簡(jiǎn)單地把物燒除，這種方法能耗高、時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于厚壁的陶瓷零件還是有一定的局限性。
溶劑脫脂主要是利用溶劑（如丙酮、乙烷等）將胚體中的石蠟溶解，而其他粘結(jié)劑仍能維持胚體形狀，隨后可將溶劑排出。對(duì)于石蠟占比大的粘結(jié)劑體系，可以采用溶劑脫脂工藝。
近些年來，水基萃取脫脂、催化脫脂、超臨界脫脂等各種新型脫脂方法不斷被報(bào)道，相比傳統(tǒng)脫脂方法，具有脫脂速度塊，裂紋缺陷形成少等優(yōu)點(diǎn)，使得燒結(jié)后的終產(chǎn)品性能大大提高。例如，MarcFerrato[3]在對(duì)氧化鋁的超臨界脫脂工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可在較短時(shí)間內(nèi)獲得無缺陷的注射成型生坯。表4比較了幾種常見的脫脂工藝。
表4 幾種常見的脫脂工藝
|
脫脂工藝
|
|
|
|
熱脫脂
|
發(fā)展成熟，工藝簡(jiǎn)單，成本低，設(shè)備簡(jiǎn)單
|
脫脂速度慢，對(duì)于厚坯件、大尺寸結(jié)構(gòu)件不適合，容易引起樣品表面開裂等缺陷
|
|
溶劑脫脂
|
脫脂速度塊，時(shí)間短
|
實(shí)際操作繁瑣，需大量資金投入，需特殊儀器，散發(fā)有毒物質(zhì)，有變形。
|
|
水萃取脫脂
|
脫脂速率高，產(chǎn)品易保形，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染 「復(fù)合耐磨彎管」
|
對(duì)粘結(jié)劑體系有特殊要求，一般粘結(jié)劑不適合
|
|
催化脫脂
|
對(duì)厚坯體部件適合，有利于產(chǎn)品的保形
|
終產(chǎn)物含有毒物質(zhì)，需特殊設(shè)備，成本高，對(duì)粘結(jié)劑組成有特殊要求，只只用于催化脫脂的粘結(jié)劑體系
|
|
超臨界萃取脫脂
|
脫脂效率高
|
操作繁瑣
|
脫脂后的陶瓷素坯為多孔質(zhì)成形體，密度較低，需要在高溫下致密化燒結(jié)，獲得所需尺寸精度和纖維結(jié)構(gòu)的致密陶瓷部件。該工藝過程和一般陶瓷致密化燒結(jié)大同小異，包括無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)等。
鑒于氧化鋁注射成型工藝復(fù)雜，注射和脫模過程受到諸多因素的制約，容易產(chǎn)生欠注、空洞、飛邊、變形等缺陷，對(duì)于其注射成型工藝的研究還須深入。目前來看，喂料制備和脫脂過程仍是該工藝的技術(shù)難點(diǎn)，因此對(duì)其進(jìn)一步研究也將從以下方面展開：
.不規(guī)則氧化鋁粉末顆粒注射成型的研究。粉體性能對(duì)于成品質(zhì)量有很大影響，很多實(shí)驗(yàn)室中研究采用的粉體粒徑、比表面積等要求嚴(yán)苛，但是在工業(yè)化生產(chǎn)中對(duì)于利用粉體生產(chǎn)，成本會(huì)相當(dāng)高。因此，如何克服不規(guī)則氧化鋁粉末顆粒給注射成型帶來的困難，是工業(yè)生產(chǎn)必須解決的一個(gè)環(huán)節(jié)。
2.粘結(jié)劑的研究。若能開發(fā)新的粘結(jié)劑體系，增大混料的裝載量，甚開發(fā)出無粘接劑技術(shù)，這樣能夠大大提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)工藝流程的優(yōu)化。
3.脫脂過程的研究。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以模擬和控制脫脂時(shí)間和脫脂質(zhì)量，以此增加產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率。
參考文獻(xiàn)
[]Effect of ceramic powder on feedstock viscosity in injectionmolding; Wuhan Technical College of Communications, Shi Ya-qi;Huazhong University of Science and Technology, Luo Wei。
[2]氧化鋁陶瓷注射成型研究進(jìn)展；西南大學(xué)，彭和，蔣顯全，李婧，白雪飛；重慶市科學(xué)技術(shù)研究院新材料中心，蔣顯全。
「復(fù)合耐磨彎管」[3]Influence of the Debinding Method on the Mechanical Properties ofPlastic Formed Ceramics; Thierry Chartier, Marc Ferrato，Jean-FrancoisBaumard。
[4]精密陶瓷結(jié)構(gòu)件注射成型制備工藝研究；燕山大學(xué)，嚴(yán)興偉。
粉體圈--粉體從業(yè)人員的生意和生活圈子
（備注：公司名+產(chǎn)品）