陶瓷粉末注射成型技術與產業化應用

謝志鵬

清華大學材料學院，新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室

摘 要：就陶瓷注射成型工藝和近年來常用到的脫脂技術及其發展趨勢進行了概述。此外，全面綜述了陶瓷注射成型在光通訊、生物醫療、電子汽車、現代工業、文化生活等各領域裡的應用。最後，對陶瓷注射成型的未來發展趨勢進行了分析與展望。

0 引 言

陶瓷注射成型(Ceramic Injection Molding，簡稱CIM) 是將聚合物注射成型方法與陶瓷製備工藝相結合而發展起來的一種製備陶瓷零部件的新工藝。特別是對於尺寸精度高、形狀複雜的陶瓷製品大批量生產，採用陶瓷粉末注射成型具有巨大優勢。與傳統陶瓷成型工藝相比較，該工藝有自動化與機械化程度高、坯體強度和密度高、可淨成型複雜形狀的陶瓷零部件、以及尺寸精度和表面光潔度高等顯著優點。早在二十世紀八十年代，伴隨著陶瓷發動機研製和渦輪轉子及葉片等高溫陶瓷部件製備的需求，美國貝特爾紀念協會組織了世界上近四十餘家研究機構和公司，制定了“陶瓷注射成型”研發計劃，美國、英國、日本、瑞典、德國等國家的許多大學、研究機構及美國福特汽車等大公司都參與這一研究計劃。由於陶瓷注射成型涉及到許多學科領域，如高分子化學，粉體科學、陶瓷工藝學、模具設計等，所以參與陶瓷注射成型技術開發與研究的公司既有陶瓷公司也有化學公司；如日本東芝陶瓷公司，採用注射成型技術製備的Si3N4渦輪轉子等精密陶瓷部件在日本和美國已經用於賽車和軍用裝甲車。而德國著名的巴斯夫化學公司，已研發出高效催化脫脂技術和相應的陶瓷注射喂料。國內，清華大學也對陶瓷注射成型較早的開展了研究工作。

近年來，陶瓷注射成型已經廣泛用於各種陶瓷粉料和各種形狀陶瓷零部件的製備。生產的零部件已經被廣泛應用與航空航天、汽車、光通訊、生物醫療、文化生活、機械化工、新能源等領域。並且伴隨光通訊發展對光纖連接器用氧化鋯陶瓷插芯和套筒及生物陶瓷製品的需求，進一步推動了國際國內陶瓷注射成型的產業化。

1 陶瓷注射成型工藝

1.1 陶瓷注射成型工藝流程

陶瓷注射成型製備工藝流程如圖1所示。主要包括以下幾個環節：首先是注射喂料的製備，將陶瓷粉與合適的有機載體按一定的比例在一定的溫度下進行混煉，然後乾燥、造粒；再把注射喂料加入注射機內在一定的溫度和壓力下注入模具內並冷卻固化成型，隨後通過加熱或者其他物理化學方法排除坯體內的有機物，最後燒結緻密化得到各種陶瓷產品。

CIM工藝流程圖

1.2 陶瓷注射成型脫脂方法

熱脫脂屬於發展較早且應用最廣泛的脫脂工藝，它特別適合截面尺寸比較小的精密陶瓷部件。但是其脫脂速率非常緩慢，脫脂時間很長；尤其是對於厚壁的陶瓷部件，熱脫脂很容易產生鼓泡、腫脹、變形等缺陷，導致陶瓷部件尺寸受到限制，一般控制到10 mm以內。而近些年研發的微波加熱脫脂由於是體積性加熱，加熱過程快且均勻，時間只需要常規脫脂的一半。

溶劑萃取脫脂最早由美國AMAX Metal Injection Molding公司發明。該脫脂方法使用的粘結劑體系由兩部分組成的，第一部分有機物(如石蠟、植物油等)能在某些有機烷烴溶劑中(如丙酮、三氯乙烷)溶解；另一部分是不溶於有機溶劑的高分子。該工藝大大縮短了脫脂時間，但是由於使用的溶劑大部分是有一定毒性，因此不利於環保，且後期溶劑的處理使得成本大大增加。

水萃取脫脂是基於溶劑萃取脫脂原理而開發出的一種新的脫脂方法。其最早由美國Thermal Precision Technology公司開發並應用到結構陶瓷粉末注射成型的。該方法所用的粘結劑體系，一部分是水溶性的高聚物如聚乙二醇(PEG)、聚環氧乙烷(PEO)以及纖維素和纖維素衍生出的瓊脂糖等，另一部分是不溶於水的熱塑性樹脂。該工藝脫脂速度快、時間短、無汙染。

催化脫脂首先是由德國著名的 BASF 化工公司開發的，其原理是利用硝酸、草酸等催化劑把聚甲醛等有機載體大分子分解為較小的可揮發的分子能迅速地在坯體中擴散，這樣粘結劑直接由固態轉變為氣態小分子，脫脂快速且陶瓷坯體不易產生缺陷和變形。該技術對於製備大尺寸和形狀複雜的結構陶瓷部件具有優勢。

2 陶瓷注射成型的發展與應用

從八十年發動機用陶瓷渦輪轉子和葉片等高溫部件的研製到二十一世紀初光纖連接器用陶瓷插芯的開發，陶瓷注射成型在過去二十幾年發展中日趨完善。美國、歐州、日本等發達國家不斷開發出注射成型用新的粘結劑體系和脫脂新工藝，提高脫脂效率和產品尺寸，如溶劑萃取脫脂，催化脫脂等。亞洲國家和地區的一些大學和研究機構對陶瓷注射成型和金屬粉末注射成型技術的研究日益增多，產業化也快速推進。目前，陶瓷注射成型技術開始向精密化發展，研究與開發的重點由過去的高溫非氧化物陶瓷(如氮化硅、碳化硅)擴展為氧化物陶瓷(如氧化鋯、氧化鋁)、功能陶瓷、生物陶瓷產品，種類越來越多，其主要應用領域如下。

2.1 光通訊用精密陶瓷部件

主要有光纖連接器用氧化鋯多晶陶瓷插芯和陶瓷套管，如圖2所示。因為其尺寸小、精度高、內孔直徑只有125微米，因此只能採用注射成型。目前光纖連接器所需陶瓷插芯和陶瓷套管主要由中國製造，包括廣東潮州三環和湖南正陽公司，而日本京瓷、東陶、Adamand等國外公司生產的產品在不斷減少。

光纖連接器用陶瓷插芯與套管

2.2 生物陶瓷製品

主要包括人造陶瓷牙齒、種植牙陶瓷固定螺桿、人工關節、固定牙冠套、牙齒正畸用陶瓷託槽等，如圖3所示。據世界衛生組織統計，牙齒畸形併發率約為49%，在美國50-60%的家庭都會進行牙齒正畸，必須配帶牙齒矯形託槽。採用陶瓷注射成型生產的該類產品尺寸精度高且性能良好，在國內的市場前景開闊。

生物陶瓷製品

2.3 文化生活用陶瓷

陶瓷粉末注射成型已成功用於陶瓷錶殼、錶鏈的製備，如香奈兒國際品牌陶瓷表和瑞士“雷達”永不磨損高檔手錶的錶殼和錶鏈。近幾年高檔手機的外殼和按鍵也採用陶瓷注射成型，均採用耐磨ZrO2陶瓷材料，拋光後表面粗糙度控制在30 nm左右，如圖4所示。

陶瓷錶殼、錶鏈、手機蓋板、外殼

2.4 電子用精密陶瓷部件

在IT和電子行業中，元器件散熱需要用到風扇，風扇中馬達若採用陶瓷軸承即可減少噪音，又可延長壽命，比金屬軸承具有更大優越性。ZrO2和Si3N4陶瓷不僅耐磨性好，斷裂韌性高，而且具有一定的自潤滑性，因此是製造陶瓷軸承的理想候選材料，如圖5所示。

電子用精密陶瓷部件

2.5 機電工業用精密陶瓷部件

包括各種氧化鋁(Al2O3)體系絕緣陶瓷零部件，如集成電路封裝管殼；電真空開關陶瓷管；微波爐中磁控管用絕緣陶瓷等；圖6示出英國摩根公司生產的直接驅動馬達陶瓷部件，以及磁盤驅動部件等。

機電工業用精密陶瓷部件

2.6 透明氧化鋁陶瓷產品

許多透明氧化鋁陶瓷產品已採用注射成型技術製備，包括牙齒矯正用透明陶瓷託槽、陶瓷金屬鹵化物燈泡內的透明陶瓷電弧發光管、以及集實用與美觀於一體的半透明氧化鋁陶瓷杯，如圖7所示。

透明氧化鋁陶瓷產品

2.7 精密機械與微型陶瓷部件

隨著精密機械和微電子工業的發展，對小型和微型精密陶瓷零部件的需求不斷增加，包括陶瓷注射成型(CIM)製備的軸和小齒輪行星齒輪變速器、陶瓷螺桿和行星齒輪、以及微型氧化鋯陶瓷滑動軸承，其外徑只有1.5 mm，如圖8所示。

精密機械與微型陶瓷部件

2.8 醫療器械用陶瓷部件

目前，在醫療領域陶瓷注射成型技術也得到了越來越多的應用。採用陶瓷注射成型工藝製作陶瓷手術刀等多種醫療器械(如圖9所示)，具有抗菌、耐腐蝕、不易被玷汙等傳統金屬器械所不具備的優點。

醫療器械用陶瓷手術刀等零部件

2.9 紡織機械用耐磨陶瓷件

紡織工業中目前使用大量耐磨陶瓷件，主要有紡紗用導絲輪、拉線輪等各種產品，大多采用高硬度的氧化鋁(Al2O3)和韌性好耐磨性好的氧化鋯(ZrO2)，以及氮化硅和碳化硅陶瓷材料。這些產品形狀複雜、尺寸精度高，因此廣泛採用陶瓷精密注射成型製備技術。像德國賽琅泰克公司生產的紡織陶瓷耐磨零部件得到廣泛的應用，如圖10所示。

圖10 紡織機械耐磨陶瓷零部件

Fig.10 Wear-resistant ceramic components for textile machinery

2.10 環保、化工、冶金用陶瓷噴嘴

噴嘴外形複雜，內設小孔，要求耐磨、耐腐蝕、耐高溫，採用氧化鋯(ZrO2)和碳化硅(SiC)氮化硅(Si3N4)粉末可一次注射成型製備性能優良形狀各異的陶瓷噴嘴，如圖11所示。

注射成型各種陶瓷噴嘴

總結及展望

通過二十多年的研究與技術開發，陶瓷注射成型已成為一類最有應用價值的精密陶瓷零部件的製備技術，並且獲得越來越多的應用。然而由於陶瓷注射成型工藝環節多，特別是脫脂過程容易產生缺陷，此外模具製備週期較長；因此今後尚需研究和解決的問題主要表現在以下幾個方面：

(1)陶瓷粉末顆粒在有機載體中的分散研究，包括顆粒表面改性技術；

(2)喂料注射充模過程的計算機模擬及工藝參數的優化；

(3)高效脫脂方法及設備的開發，希望在無缺陷的前提下加快粘結劑的脫除；

(4)降低模具製造成本及週期；

(5)提升大尺寸陶瓷部件的成型能力。

隨著上述幾方面問題的解決與陶瓷注射成型技術的進一步完善，可以預測，陶瓷注射成型的產業化應用將進一步擴大；它必將成為一種高效率、低成本、適合於高質量精密陶瓷產品的製備技術，從而在現代陶瓷工業中佔有重要地位。