陶瓷薄片材料的成型工藝

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

　　隨著近年來的研究和開發(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，它還逐漸擴展到金屬、合金以及有機材料等領域。

　　流延成型工藝過程

　　流延法制備過程主要包括漿料制備、流延成型、生坯干燥、脫脂以及燒結幾個環(huán)節(jié)。首先將陶瓷粉體與分散劑加入溶劑（水或有機溶劑）中，通過球磨或超聲波振蕩打開顆粒團聚，并使溶劑潤濕粉體，再加入粘結劑和增塑劑，通過二次球磨得到穩(wěn)定、均一的漿料；再將漿料在流延機上進行成型得到素坯；然后進行干燥，使溶劑蒸發(fā)，粘結劑在陶瓷粉末之間形成網(wǎng)狀結構，得到素坯膜；接著對素坯膜進行機加工，得到所需要的特定形狀；最終通過排膠和燒結處理得到所需要的成品。

流延成型工藝流程圖

流延設備結構示意圖

　　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、粘結劑、增塑劑，必要時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，陶瓷粉體的性質直接影響最終產(chǎn)品的性能。陶瓷粉體的選擇原則是：（1）嚴格控制陶瓷粉體的雜質含量。陶瓷粉體的化學組成和特性會影響甚至能控制最終燒結材料的收縮率和顯微結構，所以必須嚴格控制陶瓷粉體中的雜質含量。（2）嚴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顆粒堆積以及漿料的流變性能會產(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，所需有機添加劑越多，導致陶瓷燒結收縮率增加，燒結體密度減小。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因素：（1）能很好地溶解分散劑、粘結劑和增塑劑；（2）能分散陶瓷粉料；（3）在漿料中保持化學穩(wěn)定性，不與粉料發(fā)生化學反應；（4）提供漿料合適的粘度；（5）能在適當?shù)臏囟认抡舭l(fā)與燒除；（6）保證素坯無缺陷固化；（7）使用安全，對環(huán)境污染少且價格便宜。通常采用的是二元機溶劑如乙醇/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，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，用以制約顆粒的團聚程度以及團聚體的強度。分散劑的主要作用是使陶瓷粉體表面潤濕，降低顆粒的表面勢能并使顆粒之間的勢壘升高，從而達到穩(wěn)定漿料的目的。常用的分散劑有磷酸酯、乙氧基化合物、鯡魚油、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸以及銨鹽等。

　　粘結劑和增塑劑

　　粘結劑是連接陶瓷顆粒，目的是使生坯具備一定的強度。需要注意的是：所選粘結劑要與溶劑匹配，有利于溶劑的揮發(fā)和不產(chǎn)生氣泡；有較低的塑性轉變溫度，以確保室溫下不發(fā)生凝結；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，降低粘結劑的玻璃化轉變溫度，使粘結劑在較低的溫度下，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

　　有機流延成型工藝

　　有機流延溶劑體系（即傳統(tǒng)流延工藝）研究和應用較早，在陶瓷制備的應用上已經(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。

有機流延成型工藝

　　由于有機溶劑的相容性、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，因此，有機流延成型體系具有添加劑選擇范圍較廣泛、溶劑揮發(fā)快、干燥時間短等諸多優(yōu)點，易得到結構均勻、坯體缺陷尺寸較小、強度高柔韌性較好的陶瓷薄板。但是有機溶劑具有一定的毒性，不可避免的給人類和生態(tài)環(huán)境帶來危害，且生產(chǎn)成本較高，成品有機物含量較高、密度較低、排膠過程易開裂，這些都制約著有機流延成型的發(fā)展。

　　水基流延成型工藝

　　水基流延成型漿料是一個比較復雜的系統(tǒng)，主要由陶瓷粉體、水、分散劑、粘結劑、塑性劑以及其它添加劑組成。水基流延體系克服了有機流延體系對環(huán)境有危害、成本高、成品密度低等缺點，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題：溶劑蒸發(fā)速率低；粘結劑含量高排膠時素坯收縮率大；由于氫鍵的存在，粉體多團聚；對工藝參數(shù)的變化敏感，素坯膜的質量較低；素坯脆性大，干燥時容易開裂等。

　　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物單體聚合的原理進行流延成型。該法是將陶瓷粉體、分散劑和增塑劑加入有機單體和交聯(lián)劑的混合溶液中，制備出低黏度并具有高固相體積分數(shù)(體積分數(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，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度并且適合機加工的坯體。

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物的用量，而且提高固相體積分數(shù)，提高產(chǎn)品的密度和強度，有利于資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的構建。

　　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，人們在成型機理上進行了改進，利用紫外引發(fā)原位聚合機制，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，使?jié){料原位固化成型。相對傳統(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程。