先進陶瓷精密注射成型技術

先進陶瓷精密注射成型技術

先進陶瓷（也稱為細陶瓷和高科技陶瓷）因其良好的耐腐性而聞名，如耐腐蝕性、耐腐蝕性、高硬度、高強度、電、磁、光等。計算機、通信、生物、宇宙、新能源和精密機械。然而，傳統(tǒng)的制造技術（如壓屑制造和注漿制造）不能滿足陶瓷零件的制作質量和生產(chǎn)工藝。特別是近年來，我國的陶瓷、通訊、生物科學和微電機系統(tǒng)中的薄陶瓷零件無法制造。陶瓷粉末精密注射成型技術是近10年來國際上快速發(fā)展起來的新型制造技術.其科學基礎是現(xiàn)代高分子精密注塑理論和現(xiàn)代陶瓷制造技術,它將高分子流變學、陶瓷粉體技術、陶瓷工藝學和金屬模具精密制造技術結合在一起.該技術突出的優(yōu)點有:①可凈近成型各種復雜形狀的陶瓷零部件,使燒結后的陶瓷產(chǎn)品無需進行機加工或少加工,從而減少昂貴的加工成本;②成型制品具有極高的尺寸精度和表面光潔度,精度已高達5μm;③可實現(xiàn)微成型(MicroInjectionMolding),制備μm～mm范圍內的陶瓷微型零件;④成型過程機械化和自動化程度高,重復性好,便于規(guī)模化低成本生產(chǎn).因此,注射成型已成為陶瓷成型技術中高精度和高效率的成型制備方法.正因為這一技術具有如此多的綜合優(yōu)勢,一些發(fā)達國家投入大量人力和資金進行系統(tǒng)研發(fā),美國已將粉末注射成型技術列入對國家的經(jīng)濟繁榮和持久安全起至關重要作用的“國家關鍵技術”.1陶瓷粉體注射成型的機理圖1示出了陶瓷零部件精密注射成型的制造過程,主要分四個環(huán)節(jié):①注射喂料制備.將合適的有機載體(具有不同性質和功能的有機物)與陶瓷粉末在一定溫度下混煉、干燥、造粒,得到注射用喂料.有機載體的作用是提供陶瓷注射成型所需的流動性及成型坯體強度.這一階段聚合物粘結劑和添加劑與陶瓷粉末界面作用至關重要,粉末應無團聚均勻分散在有機載體中,并具有良好的流變學特性;②注射成型.混煉后注射用喂料送入注射成型內,再被加熱轉變?yōu)檎吵硇匀垠w,在一定的溫度和壓力下高速注入冷模具內,熔體固化為所需形狀的坯體,然后脫模.這一階段中,模具設計和注射熔體充模流動狀態(tài)直接影響成型坯體的質量;③脫脂.通過加熱或其他物理化學方法,將注射成型坯體內有機物排除.這一階段耗時長,且成型坯體易產(chǎn)生缺陷.因此,脫脂的方法、機理和動力學研究十分重要;④燒結.脫脂后的陶瓷坯體在高溫下致密化燒結,獲得所需外觀形狀、尺寸精度和顯微結構的致密陶瓷部件.2陶瓷精整流度成像技術的發(fā)展2.1傳統(tǒng)有機結合劑體系有機載體是多組分體系,包括成型時起粘結作用的聚合物樹脂(如:聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物、乙烯-丙烯酸乙脂共聚物),起增塑作用的增塑劑和潤滑劑(如:鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二丁酯、石蠟、微晶石蠟、蜂蠟等),改善陶瓷粉末與有機物界面狀態(tài)的表面活性劑(如:硬脂酸、油酸、硅烷、鈦酸酯等).近幾年來,以熱塑性樹脂和石蠟為主的傳統(tǒng)有機結合劑體系不斷得到改進,從而顯著改善注射喂料的均勻性和流動,而且還發(fā)展了含有水溶性聚合物(如:聚乙二醇、聚環(huán)氧乙烷)的粘結劑體系,以滿足不同陶瓷材料和不同脫脂工藝的要求.2.2化學成分提取熱脫脂是一種發(fā)展較早的脫脂方法,它的原理是基于受熱過程中有機物分子的揮發(fā)和裂解而使成型坯體內有機物逐漸排除.雖然熱脫脂成本低,理論發(fā)展比較成熟,應用也比較廣泛,但熱脫脂過程中由于粘結劑組分受熱軟化,坯體在重力和熱應力的作用下易產(chǎn)生粘性流動變形,因此脫脂速率十分緩慢.對于大尺寸陶瓷部件,還容易產(chǎn)生腫脹、裂紋和變形等缺陷.因此,化學脫脂理論和技術近幾年應運而生,它主要有二種方法:①化學催化脫脂.由德國BASF公司首先開發(fā),該法的主要技術特點是采用聚醛樹脂作為粘結劑,并在酸性氣氛中進行催化脫脂.聚醛樹脂在酸性氣氛催化作用下分解為甲醛,這種分解反應在110℃以上快速發(fā)生,是一種直接的氣-固轉變.催化脫脂在氣氛-粘結劑的界面進行,在成型坯體內部沒有氣體存在,反應界面的推進速度可達到1～4mm/h,大大縮短了脫脂時間;②溶解萃取脫脂.由美國AMAXMetalInjectionMolding公司發(fā)明,該工藝的主要優(yōu)點在于其粘結劑由石蠟、植物油和聚合物組成.脫脂時選用一種溶劑(如三氯乙烷),有選擇地首先脫除植物油和石蠟,而不溶性組元則不溶解,這樣打開孔隙通道,然后再利用熱脫脂除去剩余的粘結劑.整個脫脂工藝過程時間短,只需6h,是一種較快的脫脂方法.2.3精密陶瓷注射成型技術以前,陶瓷注射成型主要用于陶瓷發(fā)動機中渦輪轉子這類復雜形狀的陶瓷零部件開發(fā),當時由世界上近40余家公司和研究機構發(fā)起,美國貝特爾紀念協(xié)會組織制定了“陶瓷注射成型”(CeramicInjectionMolding)研發(fā)計劃.美國RUTGERS大學陶瓷研究中心、Ford汽車公司、Columbus實驗室、日本九州工業(yè)大學、日本京瓷公司、英國Brunel大學和伯明翰大學等都參與了這一研究.圖2示出了日本東芝陶瓷公司注射成型技術制備的Si3N4渦輪轉子等精密陶瓷部件,這一產(chǎn)品在日本和美國已用于賽車和軍用裝甲車.近幾年來,陶瓷注射成型技術開始應用于通訊、半導體與計算機、生物醫(yī)學等領域.通訊產(chǎn)業(yè)中光纖連接器用四方相氧化鋯陶瓷插芯(Ferrule)就是一典型實例(見圖3),其外徑為2.5mm,內孔直徑僅有125μm,而且還要求極高的同心度,目前只有陶瓷注射成型技術可以制造該產(chǎn)品,才能保證其不變形和尺寸精度要求,并且一次注?？沙尚统?個樣品,效率高,重復性好.計算機工業(yè)中的光盤驅動用陶瓷軸承,均采用注射成型.生物醫(yī)學陶瓷制品,如:陶瓷牙根、牙齒矯形(又稱正畸)用陶瓷托槽,因形狀復雜,產(chǎn)品精細,注射成型是它最有效的制造方法.目前,粉末注射成型陶瓷部件的尺寸精度達到±0.3%或更高.3微注射成型工藝微注射成型是最近發(fā)展起來的新技術,適用于環(huán)境要求苛刻、結構復雜的MEMS系統(tǒng).該方法可用于多種材料(各種陶瓷、金屬),且成本較低,有較高的經(jīng)濟效益.用微注射成形制造微型陶瓷部件已經(jīng)成為用于當今快速成長的微型機電產(chǎn)品市場中最有競爭力的產(chǎn)品之一.微注射成型工藝是對普通注射工藝的改進,其過程是將陶瓷或金屬粉料與粘接劑系統(tǒng)混合,然后在一定壓力下注入有復雜形狀的微型模具里,之后通過加熱除去粘接劑,最后在特定的氣氛下燒結成為微型陶瓷部件.需特別指出的是,為了保證成品的質量,注射喂料的粘度要低,要選用容易脫模的模具.低壓微注射成型(LPIM)適用于制造陶瓷或金屬部件,而它的最大優(yōu)點是降低了工藝溫度(60～100℃)和注射壓力(3～5MPa).這是因為該工藝運用了低粘度石蠟作為粘結劑.目前,已經(jīng)有氧化鋁、氧化鋯、氮化硅、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇、羥基磷灰石以及氮化鋁的微型陶瓷部件由低壓微注射成型法制成(如圖4,5所示).當然,這種新型的工藝應用潛力很大,還有很多地方需要研究.隨著MEMS的發(fā)展,微注射成形工藝將更適應于大規(guī)模生產(chǎn),在新領域的新功能也將被發(fā)現(xiàn).4提供注射成型喂料對陶瓷和金屬粉末精密注射成型技術的研究,日本、美國、德國和英國處于領先地位,國際上大部分粉末注射成型的研究論文和發(fā)明專利都出之于這些國家.這些國家的一個共同點就是大學研究機構與大公司密切合作,從而在理論基礎研究和工藝技術研究方面都不斷創(chuàng)新:一是注重粉體表面化學與有機載體相互作用及其流變學的研究,為此專門開發(fā)了粉末注射成型用粘結劑與添加劑,并且將粉末與粘結劑混煉、造粒,為用戶提供不同陶瓷材料體系的注射成型用喂料,如:通訊產(chǎn)業(yè)中光纖連接器用四方相氧化鋯陶瓷插芯(ferrule)的注射成型喂料,就主要被日本控制;二是注重脫脂新技術研發(fā),日本、美國、德國分別提出超臨界脫脂、溶解萃取脫脂和化學催化脫脂等新方法.此外,粉末注射成型機注射量的精度控制與模具的精密加工方面,上述發(fā)達國家也占有優(yōu)勢.國內陶瓷粉末注射成型研究起步于20世紀80年代中期,主要有清華大學、上海硅酸鹽研究所等幾家單位參與.清華大學先后研究了Si3N4陶瓷渦輪轉子燃汽輪機陶瓷葉片和高強度高韌性氧化鋯及氧化鋁陶瓷的精密注射成型(見圖6～9),并提出了微波快速脫脂新方法.然而,國內總體研究水平和技術創(chuàng)新與上述發(fā)達國家相比均有差距,如:化學脫