摘 要

陶瓷粉末注射成型技术（Ceramic Injection Moulding，CIM）是近代粉末注射成型技术的一个分支，该技术通过添加一定量的聚合物添加剂组分造粒，赋予陶瓷粉末跟聚合物一样的流动性，采用注射成型技术根据需要制成各种形状的材料制品，然后对生胚制品进行脱脂和烧结后续工艺处理，可以生产性能优异的各种类型的陶瓷制品。特别是对于尺寸精度高、形状复杂的需要大批量生产的陶瓷制品来说，陶瓷粉末注射成型技术能够一次性成型，无需机械加工或只需微量加工、易于实现生产自动化并且产品性能优异，弥补了传统陶瓷冶金工业的不足。

陶瓷材料

常见的陶瓷材料为 Al2O3、SiO2、ZrO2 等，陶瓷材料的化学键大都为离子键和共价键，因此具备一些独特的性能。例如硬度极高，一般为1000-5000HV，耐磨性极高，弹性模量高，刚度高，抗压强度极高，同时其抗拉强度和抗弯强度低，塑性、韧性低，脆性大，在常温下几乎没有塑性，难以进行塑性加工。另外其熔点很高，大都在2000℃以上，具有很高的耐热性能，化学性能稳定，是目前国际上顶尖的耐火材料。同时其抗氧化性能优越，对酸、碱、盐具有良好的耐腐蚀性，而且大多数陶瓷都具有高电阻率，少数具有半导体性能，许多陶瓷具有光学性能、电磁性能等特殊性能，在航空、工业、光纤通讯行业应用广泛。过去我国生产的陶瓷粉体材料与国外发达国家产品有较大差距，纳米陶瓷原料长期以来被日本等发达国家所垄断，陶瓷高端应用领域如光纤通讯行业、航空航天行业一直受国外原材料限制。最近十年以来，我国国产的陶瓷瓷粉末原料发展迅速，绝大部分性能已经和日本产的陶瓷材料持平，已经广泛应用在很多领域，特别是今年5G通讯领域的全面发展，国产的陶瓷产业迎来了爆发式增长。

陶瓷粉末注射成型工艺

陶瓷粉末注射成型工艺如图2所示，主要包括选择粘结剂和粉末原料、混料造粒，注射成型、脱脂、烧结等等。

1）粘结剂的选择

陶瓷粉末作为一种无机材料，其粉末形状多为不规则形状，粉末本身的流动性能很差，如果采用注射成型必须使其获得部分高分子材料的性能，比如增加材料的流动性，并且在注塑成型时维持胚体的形状等，那么就需要在陶瓷粉末原料中增加粘结剂。粘结剂能够在注射成型阶段和陶瓷粉末均匀融合，降低粉末的粘度，使其获得良好的流动性，另外，粘结剂能够在注射成型后使胚胎能够很好的维持原有的形状，使产品在烧结前具有合适的形状。主要的陶瓷粉末对应的粘结剂型号如表1所示。

通过将陶瓷粉末和粘结剂进行混合，制备成小球状或者颗粒状形成原料便于加工，在配置原料时，粘结剂的选择应达到如下的效果：①易于在模腔内流动且不出现粉末与粘结剂分离的现象；②制品脱模后制品保持完整；③可迅速将萃取性粘结剂去除；④可完全将骨架性粘结剂去除；⑤在烧结过程中，制品形状保持完整一致；⑥尽可能的少收缩且收缩均匀。

2）胶粒制备

在陶瓷粉末注射成型过程中，制备胶粒是首要的步骤，而且非常重要，因为混料的性能对注射、脱脂、烧结等后续生产过程都有重要影响。混料时首先粉料必须干燥，避免粉末力的水分降低粉末与粘结剂的湿润性，使混合变得困难。其次，必须将粉末和粘结剂进行粗混，使其粘结一体，才能进行剪切制料。而且制料过程中，必须严格控制制料的温度，因为温度过低，喂料的粘度增大，会导致喂料和挤出机之间的磨损带入杂质，还可能导致在喂料过程中夹入气体；温度太高，会导致粘结剂中低分子量有机物挥发，恶化粘结剂性能导致粘结剂和粉料分离。为了保证混料良好的均化，避免注射成型或后处理过程中出现相关问题，在制料过程中，粉末与粘结剂混合时的温度在粘结剂软化点以上。另外，还需要控制挤出机螺杆转速，转速高容易造成剪切力过大引起螺杆磨损，进而引入杂质。转速慢则不能产生适当的剪切力，从而导致粘结剂粘度过低，使得混炼均匀变得困难。尤其对于细小粉末颗粒成型的微型构件，陶瓷原料必须在较高的剪切速率下才有低的粘度，提高剪切速率可以减少粉末团聚得到更均匀的混料。但是，剪切速率必须限制在一定范围内，这取决于粘结剂组分，以防止粘结剂分解和避免挤出机内部结构磨损。胶粒制备工艺炉如图3所示。

3）注射成型参数

注射成型需要的设备是注塑机。注射成型过程容易产生缺陷，且大部分缺陷只有在脱脂和烧结完成后才能被发现，因此对不同的陶瓷制品采用最佳的注射工艺参数，得到无缺陷的注射生胚就具有重要意义。在注射成型参数中，注射压力、注射速度和注射过程温度控制是影响注射生胚质量的关键因素。

注射压力——陶瓷粉末注射成型体的密度对注射压力的依赖性不及塑料那么显著，这是因为两种体系的物性不同，塑料呈熔融状态时，具有较大的压缩性，随着压力的增大，其比容（单位重量的体积）减小，响应密度增大；而对于陶瓷注射的混合物料，少量的热塑性塑料包覆在固体颗粒表面，并且由于较多的增塑剂、润滑剂的相互作用，这些小分子有机物进入到高分子长链中使其缠绕性减小，宏观上弹性减小。再者，由于有机载体呈现连续相分布，固体颗粒间无空隙，故陶瓷注射混合料几乎不具有弹性或者打的压缩性。因此，对于陶瓷注射成型的胚体，适当增大注射压力的主要作用是克服充模过程中的阻力损失，保证充模完全，而不是靠压缩熔体来获得高密度。一般注射压力通常认为20-200MPa之间，这与具体材料有关。注射压力过小会影响充模过程的完整，引起欠注；增大注射压力有利于充模过程的流动性，单可能在胚体内产生较大的残余应力，引发飞边或断裂。陶瓷材料密度对注射压力有一定的敏感性，压力过大时制品内部会存在气体，因为压力过大会使得充模熔体速率急剧增大，在模腔表面很快形成封闭壳层，以致内部气体排出困难，而容易包裹在成形体内形成残留气泡。当充模完全时，注射压力对成形体密度的影响甚微。

注射速度——注射速度对生胚质量的影响较小，注射速度过快会因为排气不足而使生胚中产生气孔，也会因为速度过快出现喷射现象，带来表面纹等缺陷；注射速度太慢则会使先期注入的喂料过度冷却，而在产品中出现分层等缺陷。在陶瓷粉末注射成型过程中很容易出现喷射现象，这是由较高的材料密度（较大的惯性）、较小的膨胀率（高填充物）和较低的壁面摩擦引起的。在充模时间较短的情况下，陶瓷粉末材料需要在很短的时间内冷却定型，那么需要降低注射压力配合熔体充模的流动速度来完成冷却定型，注射压力的降低就意味着注塑时间的延长；在足够长的充模时间里，金属粉末材料开始冷却且粘度降低，这样可以很好地抵消流速降低引起的压力减小。不同注射速度小胶料充模示意图如图 5 所示。

注射过程温度控制——注射过程温度控制包括料筒温度控制和模具温度控制。注射过程温度也是陶瓷材料成型过程的一个重要参数，其基本的要点是注射过程中不能产生粘结剂体系和粉末的两项分离，若模温不合适，则常会引起充模不完整，或发生胚块断裂。熔体温度对成形体的影响是复杂的，若从充模的效果考虑，提高熔体温度较增加压力更为有利，因为高的熔体温度在不同程度上均可降低熔体粘度，对充模有利。但过高的温度容易导致粘结剂的挥发，使有机物总量的减少从而影响粘度。而且挥发物若不能从模具内有效排除、会夹杂在胚体内，形成气孔等缺陷。由于陶瓷注射混合料几乎不具有压缩性，单纯增大注射压力会产生较大的成型应力。特别是大体积的样品，模腔中心部位熔体冷却比浇口要迟，容易产生极大的不均匀应力。陶瓷粉末成型过程中想要降低注射压力，模温控制尤为重要，模具温度和注射压力的关系如图6所示。

其他注意事项:

①注塑螺杆——因为陶瓷材料硬度高，所以注射螺杆组件的材质必须有足够的耐磨性才能保证生产过程中不被磨损，螺杆组件材质一般采用特殊的高硬度合金钢，防止螺杆组件磨损给陶瓷粉末形成污染，另外螺杆设计压缩比不能太大，一般为1-1.6，主要是使得粉末流体在料桶内流动顺畅，避免发生堵塞。不同于吸热塑化的胶料，陶瓷粉末原料由于具有更高的热导率，它比聚合物加热更快。因此，为了避免粘结剂发生热降解，通常发热圈的温度不会太高，料筒的长度相对较短，一般不超过直径的18倍，确保模具的精确填充和陶瓷材料在料筒加热区的原料停留时间，避免长时间停留造成原料粉末分解。

②开模速度和压力——因为陶瓷粉末胚体的分子间的作用力较一般的胶料成型小很多，所以，在胚体成型时开模力需要尽量小，速度要尽量放缓，避免胚体上粉末因为开模力过大而脱离胚体本身，影响产品质量。

4）脱脂

脱脂是通过加热或其他物理方法将胚体内的有机物排除并产生少量烧结的过程。注射成型过程中加入的粘结剂较多，需低温脱脂，才能进行高温烧结。脱脂是一个重要阶段，也是注射成型工艺中耗时最长的一道工序，也是质量控制最为关键的一道工序，它在某种程度上决定了最终产品的质量。陶瓷材料中绝大部分缺陷都是在脱脂阶段形成，比如裂纹、气孔、变形、鼓泡等情况，而且在脱脂过程中产生的缺陷也是无法通过后期的烧结阶段来弥补的。脱脂的方式有热脱脂、溶剂萃取脱脂、虹吸脱脂和催化脱脂等等，几种脱脂工艺的优劣如表2所示。一个成功的脱脂过程就是要保证粘结剂能连续平稳地从成型胚中脱除。由于脱脂过程的复杂性涉及到许多因素，包括粉末的影响、粘结剂的影响，喂料和粘结剂的流变与烧结性能等等，在保证制品形状和尺寸精度的前提下，应尽量缩短脱脂时间和简化脱脂工艺，满足其在系统化和规模化方面需求，为大规模工业化生产提供条件。

5）烧结

烧结是胚体在高温下致密化过程和现象的总称，是指成型后的胚体在低于熔点的高温作用下，通过胚体间颗粒相互粘结和物质传递，实现排除气孔，收缩体积，提高强度的功能，使胚体逐渐变成具有一定的几何形状和坚固烧结体的致密化成品。随着温度升高，陶瓷胚体中具有比表面大，表面能较高的粉粒，力图向降低表面能的方向变化，不断进行物质迁移，晶界随之移动，气孔逐步排除，产生收缩，使胚体成为具有一定强度的致密的瓷体。烧结的推动力为颗粒的表面能，为降低烧结温度，扩大烧成范围，通常加入一些添加物作助溶剂，形成少量液相，促进烧结。烧结陶瓷件的密度取决于粉末粒子分布和烧结参数，可以通过烧结程序处理来提高密度。由于烧结过程中粉末压实，胚料会发生线性收缩，因为陶瓷陶瓷颗粒比较细，线性收缩率小，尺寸精度可达±0.1%。烧结工艺流程及设备如图7所示。