十大結構陶瓷成型工藝最全總結

作者：由機械學霸發表于繪畫時間：2022-07-27

陶瓷成型陶瓷製備工藝中重要的一環，成型技術在很大程度上決定了坯體的均勻性和製備複雜形狀部件的能力，並直接影響到材料的可靠性和最終陶瓷部件的成本。

陶瓷成型方法很多，可以歸納為下圖。

上述各種成型方法，成型原理和過程不同，因此特點也不同，各自均有優缺點。陶瓷成型方法的選擇，應當根據製品的效能要求、形狀、尺寸、產量和經濟效益等綜合確定。那麼，今天我們就來簡要介紹一下這些陶瓷的成型方法。

一

幹壓成型

幹壓成型又稱模壓成型，是最常用的成型方法之一。幹壓成型是將經過造粒、流動性好，顆粒級配合適的粉料，裝入金屬模腔內，透過壓頭施加壓力，壓頭在模腔內位移，傳遞壓力，使模腔內粉體顆粒重排變形而被壓實，形成具有一定強度和形狀的陶瓷素坯。

影響幹壓成型的主要因素：

（1）粉體性質：粒度、粒度分佈、流動性、含水率等；

（2）粘結劑和潤滑劑的選擇；

（3）模具設計；

（4）壓制過程中壓制力、加壓方式、加壓速度與保壓時間。

綜上，如果坯料顆粒級配合適，結合劑使用正確，加壓方式合理，幹壓法也可以得到比較理想的坯體密度。

幹壓成型的優點：

（1）工藝簡單，操作方便，週期短，效率高，便於實行自動化生產。

（2）坯體密度大，尺寸精確，收縮小，機械強度高，電效能好。

幹壓成型的缺點：

（1）對大型坯體生產有困難，模具磨損大、加工複雜、成本高。

（2）加壓只能上下加壓，壓力分佈不均勻，緻密度不均勻，收縮不均勻，會產生開裂、分層等現象。但隨著現代化成型方法的發展，達一缺點逐漸為等靜壓成型所克服。

應用：

特別適宜於各種截面厚度較小的陶瓷製品製備，如陶瓷密封環、閥門用陶瓷閥芯、陶瓷襯板、陶瓷內襯等。

二

流延成型

流延成型又稱為刮刀成型。它的基本原理是將具有合適黏度和良好分散性的陶瓷漿料從流延機漿料槽刀口處流至基帶上，透過基帶與刮刀的相對運動使漿料鋪展，在表面張力的作用下形成具有光滑上表面的坯膜，坯膜的厚度主要由刮刀與基帶之間間隙來調控。坯膜隨基帶進入烘乾室，溶劑蒸發有機黏結劑在陶瓷顆粒間形成網路結構，形成具有一定強度和柔韌性的坯片，乾燥的坯片與基帶剝離後卷軸待用。然後可安所需形狀切割，衝片或打孔，最後經過燒結得到成品。

流延成型工藝可以分為

非水基流延成型、水基流延成型、凝膠流延成型

等。

流延成型製備陶瓷基片工藝包括漿料製備、流延成型、乾燥、脫脂、燒結等工序，其中最關鍵的是漿料的製備和流延工藝的控制。

優點：

流延成型可製備出幾個微米至1000μm平整光滑的陶瓷薄片材料，且裝置簡單，工藝穩定，可連續操作，便於自動化，生產效率高，產品效能一致，因此是當今製備單層或多層薄片材料最重要和最有效的工藝。

缺點：

粘結劑含量高，因而收縮率可達20％～21％。

應用：

獨石電容器瓷片、厚膜和薄膜電路用Al2O3基片、壓電陶瓷膜片、結構陶瓷薄片、電容器、熱敏電阻、鐵氧體和壓電陶瓷坯體，混合積體電路基片等。

三

注射成型

陶瓷注射成型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。

陶瓷注射成型的製造過程主要包括四個環節：

（1）注射喂料的製備：將合適的有機載體與陶瓷粉末在一定溫度下混煉、乾燥、造粒，得到注射用喂料；

（2）注射成型：混煉後的注射混合料於注射成型機內被加熱轉變為粘稠性熔體，在一定的溫度和壓力下高速注入金屬模具內，冷卻固化為所需形狀的坯體，然後脫模；

（3）脫脂：透過加熱或其它物理化學方法，將注射成型坯體內的有機物排除；

（4）燒結：將脫脂後的陶瓷素坯在高溫下緻密化燒結，獲得所需外觀形狀、尺寸精度和顯微結構的緻密陶瓷部件。

注射成型的優點：

（1）可近淨成型直接各種幾何形狀複雜及有特殊要求的小型陶瓷零部件，使燒結後的陶瓷產品無需進行機加工或少加工，從而減少昂貴的陶瓷加工成本。

（2）機械化和自動化程度高，成形週期短，僅為澆注、熱壓成形時間的幾十分之一至幾百分之一，坯件的強度高，可自動化生產，生產過程中的管理和控制也很方便，適宜大批次生產。

（3）由於粘結劑有較好的流動性，注射成形坯件的緻密度相當均勻。

（4）由於粉末和粘結劑的混合很均勻，粉末之間的間隙很小，燒結過程中的收縮特性基本一致，所以製備各部位密度均勻，幾何尺寸精度及表面光潔度高。

應用：

這種技術對尺寸精度高、形狀複雜的陶瓷製品的大批次生產最有優勢。目前，陶瓷注射成型已廣泛用於各種陶瓷粉料和各種工程陶瓷製品的成型。透過該工藝製備的各種精密陶瓷零部件，已用於航空、汽車、機械、能源、光通訊、生命醫學等領域。

四

等靜壓成型

等靜壓成型是目前生產氧化鋁陶瓷球的主要成型方式。

熱等靜壓工藝是透過惰性氣體（如氬氣或氮氣）向加工部件的外表面施加高壓（50-200MPa）和高溫（400-2000℃），升高的溫度和壓力使材料透過塑性流動和擴散消除了表面下的空隙。熱等靜壓工藝透過薄壁預應力繞線單元可以實現均勻快速的冷卻過程，與自然冷卻過程相比生產效率提高了70%。

冷等靜壓工藝可以對陶瓷或金屬粉末施加更高的壓力，在室溫或稍高的溫度（<93℃）下可達100-600MPa，以獲得具有足夠強度的“生坯”部件進行處理和加工，並燒結至最終強度。熱等靜壓與冷等靜壓技術讓陶瓷製造商能夠在控制材料效能的前提下提高生產率。

熱等靜壓技術介紹

熱等靜壓技術出現於上世紀50年代初，從那時起，許多應用領域都十分看好這項技術。熱等靜壓技術是一種緻密化鑄造的生產過程，從金屬粉末的固結（如金屬注射成型、工具鋼、高速鋼），到陶瓷的壓實環節，再到增材製造（3D列印技術）等更多的應用領域，都可以見到熱等靜壓技術的身影。

目前，約50%的熱等靜壓單元用於鑄件的固結和熱處理。典型的合金包括Ti-6Al-4V、TiAl、鋁、不鏽鋼、鎳超級合金、貴金屬（如金、鉑），以及重金屬和耐火材料（如鉬、鎢）。由於航空航天和汽車領域近年來對陶瓷增材製造的興趣逐步增加，未來熱等靜壓將可能快速拓展更多的應用範圍。

首先，熱等靜壓部件需要在升高的壓力或真空中進行加熱，同時提前引入氣體，使其膨脹並有效建立熱等靜壓爐中的壓力氣氛，而這個啟動程式要視材料成分和熱等靜壓迴圈而定。

使用純氬氣在熱等靜壓中施加的壓力一般在100-200MPa之間。然而有時其它氣體如氮氣和氦氣也會用到，而氫氣和二氧化碳這類氣體則很少使用。有時候也會用到不同氣體的組合。無論是較低還是較高的壓力均可用於一些特殊的領域，最終由應用領域來確定哪些氣體該用於哪些目的。因氦氣、氬氣、氮氣相對昂貴，而氫氣在錯誤濃度下又易爆，所以使用時需特別注意。

熱等靜壓技術的主要優點有：增加製品密度，改善製品機械效能，提高生產效率，降低了廢品率和損耗。經過熱等靜壓處理的鑄件，內部孔隙缺陷得以修補，設計更輕巧，產品擁有更好的延展性和韌性，效能波動減少，使用壽命更長（依靠合金系統，零件疲勞壽命增加近10倍），能在不同材料之間形成冶金結合（擴散結合）。

冷等靜壓技術介紹

冷等靜壓技術使用液體介質（例如水或油或乙二醇混合液體），以向粉末施加壓力。粉末被放置在固定形狀的模具中，模具可防止液體滲入粉末。對於金屬，冷等靜壓技術可以實現約100%的理論密度，而更難壓縮的陶瓷粉末可以達到約95%的理論密度。

極高的壓力使得粉末中的空隙變小甚至消失，高壓下，金屬粉末由於其延展性而產生變形，陶瓷粉末則可能稍微破碎，密度得以增加，最終形成可以處理、加工和燒結的“生坯”零件。典型的壓力範圍為100-600MPa，溫度通常為室溫，如果需要較高的溫度，熱交換器可以將溫度升至約93℃。然而由於水被壓縮時溫度會增加，每增加100MPa約升高4℃，因此在較高溫度下沸騰的風險會隨之增加。

金屬和陶瓷粉末的密度變化

冷等靜壓的常見應用包括陶瓷粉末的固結、石墨、耐火材料、電絕緣體，以及高階陶瓷的壓縮。材料包括氮化矽，碳化矽，氮化硼，碳化硼，硼化鈦，尖晶石等。該技術正在向新的應用領域拓展，例如濺射靶的壓制、發動機中用來降低氣缸磨損的閥部件的塗層、電信、電子、航空航天和汽車領域等。

冷等靜壓技術擁有如下優點：提高製品的固結程度，增加產品的機械效能，生產環節資料相對集中，能更安全地控制生產，腐蝕性非常低，高效率低成本。

冷等靜壓工藝中的減壓過程也決定了“生坯”壓塊的質量。由於金屬或陶瓷粉末被壓實，氣體被困在顆粒之間，壓強在加工過程中隨著外部施加的壓力增加而增大。金屬壓塊具有非常高的強度和延展性，在冷等靜壓流程之後，將自然釋放夾帶的空氣。

然而由於陶瓷“生坯”壓塊更脆，如果壓力以過快的速度和不可控的方式釋放，則陶瓷壓塊很可能在空氣不能逸出的地方破裂。避免這種情況的方式是透過微調減壓系統以可控方式釋放所施加的壓力，這在較低壓力下尤其重要，當施加的壓力等於內部氣體壓力時，截留的空氣會影響到內應力。

陶瓷粉末中夾帶的空氣的圖示

目前，冷等靜壓技術被廣泛應用於日用陶瓷、建築陶瓷、特種陶瓷等各個領域。例如盤、碟、氧化鋁研磨球、氧化鋁化工填料球、耐火磚、陶瓷棍棒、火花塞、高頻瓷套、複合陶瓷等。

通常所說的等靜壓成型就是指冷等靜壓成型

，是利用流體（水，油）作為傳遞介質來獲得均勻靜壓力施加到材料上的一種方法。即利用液體介質的不可壓縮性來均勻傳遞壓力性，從各個方向進行加壓，獲得製品的成型方法。按其成型過程不同，可分為兩種形式：溼袋式和幹袋式。目前大量使用的主要是溼袋法。

溼袋式等靜壓

溼袋式等靜壓技術是將造粒陶瓷粉或預先成型的坯體放入可變形的橡膠包套內，然後透過液體施加各向均勻的壓力，當壓制過程結束，再將裝有坯體的橡膠包套從容器內取出，這是一種間斷式成型方法。

這種技術成本相對成本較低，可成型中等複雜程度的部件，且壓力可達500MPa，適用於小規模生產，但在一定時間內成型製品的數量較少，壓坯尺寸和形狀不以精準控，生產效率不高，不能連續進行大規模生產。

幹袋式等靜壓

幹袋式等靜壓是將陶瓷粉末批次地填入柔性預成型模具內，然後施以等靜壓，由於模具被固定在裝置上，當壓制完成後，成型製品被頂出，如示意圖。

幹袋式等靜壓成型週期短，模具使用壽命長，特別便於進行大規模連續化工業生產。使用的模具材料有聚氨酯合成橡膠或矽橡膠，相較於溼袋式等靜壓成型，幹袋式等靜壓壓力較低，一般在200MPa內。大家最熟悉的陶瓷火花塞目前就是用幹袋式等靜壓成型，壓制時間通常只有1~2s。

等靜壓成型的優點：

（1）壓力從各個方向傳遞，壓坯密度分佈均勻，壓坯強度高；

（2）素坯密度高，均勻缺陷少，燒成收縮比一般幹壓低；

（3）能壓制具有凹形、細長件以及其他複雜形狀的零件；

（4）摩擦損耗小，成型壓力較低；

（5）模具成本低廉。

等靜壓成型的缺點：

壓坯尺寸和形狀不易精確控制，生產率較低，不易實現自動化；

應用：

（1）大型薄壁、高精度、高效能的氧化鋁陶瓷天線罩及大型壁厚、形狀複雜、帶傘稜的97%氧化鋁陶瓷高頻端子絕緣瓷套採用溼式等靜壓技術。

（2）95%氧化鋁陶瓷真空開關滅弧室“管殼”系列產品、氧化鋁和氧化鋯陶瓷柱塞，以及石油鑽探用大尺寸氧化鋯陶瓷缸套等採用等靜壓技術。

（3）高壓鈉燈用透明氧化鋁陶瓷管、氧化鋁火花塞普遍使用幹袋式等靜壓技術。

五

注漿成型

注漿成型是一種非常簡便且靈活性很強的成型技術，它的基本原理是將具有較高故相含量和良好流動性的料漿注入多孔模具（通常用石膏磨具），因為模具多孔性所具有的的毛細管吸力，模具內壁從漿料中吸取水分從而沿模壁形成固化的坯體，待坯體形成一定的強度即可脫模。

基本工藝流程為：

粉末→漿料→注漿→脫模→乾燥→型坯

漿料成型的主要工藝方法：

空心注漿、實心注漿、壓力注漿、真空輔助注漿、離心注漿。

優點：

（1）採用廉價的石膏模具，裝置簡單、成本低，適合於複雜形狀的陶瓷零部件及大尺寸陶瓷製品的製造；

（2）成型工藝控制方便、產品緻密度高。

應用：

傳統陶瓷工業、現代精密陶瓷、結構陶瓷產品等

六

擠壓成型

擠壓成型也稱擠出成型或擠製成型，該工藝是將陶瓷粉與可提供塑性的黏土或有機黏結劑與水一起混合和反覆混煉，並透過真空除氣和陳腐等工藝環節使待擠出的坯料獲得良好的塑性和均勻性，然後在擠出螺旋或柱塞的作用下，透過擠壓機嘴處的模具擠出得到所需形狀的產品。

擠壓法成型對泥料的要求：

（1）粉料細度和形狀：細度要求較細，外形圓潤，以長時間小磨球球磨的粉料為好。

（2）溶劑、增塑劑、粘結劑等：用量要適當，同時必須使泥料高度均勻，否則擠壓的坯體質量不好。

擠壓成型法的優點：

（1）汙染小，操作易於自動化，可連續生產，效率高。

（2）適合管狀、棒狀產品的生產。但擠嘴結構複雜，加工精度要求高。

缺點：

由於溶劑和結合劑較多，因此坯體在乾燥燒成時收縮較大，效能受到影響。容易出現翹曲變形、分層結構、撕裂、開裂、固液分離、氣孔及夾雜物等缺陷。

應用：

擠壓成型適用於製造截面一致的陶瓷產品，特別是對長寬比高的管狀或棒狀產品，可用於各種氧化物陶瓷、碳化物及氮化物等非氧化物陶瓷製品的成型。

目前廣泛應用於製備陶瓷爐管、電磁絕緣子、催化劑載體或支撐體、熱交換器管、汽車尾氣過濾用蜂窩陶瓷載體，陶瓷棍棒等各種陶瓷產品，同時也可用於片狀電容器、磁性材料基板、電子基片的成型。

七

熱壓鑄成型

熱壓鑄成型是利用石蠟受熱熔化和遇冷凝固的特點，將無可塑性的瘠性陶瓷粉料與熱石蠟液均勻混合形成可流動的漿料，在一定壓力下注入金屬模具中成型，冷卻待蠟漿凝固後脫模取出成型好的坯體。坯體經適當修整，埋入吸附劑中加熱進行脫蠟處理，最後經燒結成最終制品。

熱壓鑄成型與一般注漿成型法的差別：

它並不使用溶劑，而是利用粘結劑—石蠟的高溫流變特性，進行壓力下的鑄造成形，然後經過高溫脫蠟和燒結制成陶瓷。

優點：

（1）可成型形狀複雜的陶瓷製品，尺寸精度高，幾乎不需要後續加工，是製作異形陶瓷製品的主要成型工藝；

（2）裝置價廉、模具磨損小，生產成本相對較低；

（3）操作方便，勞動強度不大，生產效率高；

（4）對原料適用性強，如氧化物、非氧化物、複合原料及各種礦物原料均可適用。

缺點：

漿料含蠟量高、成型壓力低，容易導致產品密度偏低，排蠟時間長。

（1）氣孔率高、內部缺陷相對較多、密度低，製品力學效能和效能穩定性相對較差；

（2）需要脫蠟環節，增加了能源消耗和生產時間。因受脫蠟限制，難以製備厚壁製品；

（3）不適合製備大尺寸陶瓷製品；

（4）難以製造高純度陶瓷製品，限制了該工藝在高階技術領域的應用。

應用：

各種複雜形狀的工程陶瓷零部件。

八

凝膠注膜成型

凝膠注模成型是近年來發明的一種新的陶瓷成型技術。這一方法首先是將陶瓷粉料分散於含有有機單體的溶液中，製備成高固相體積分數的懸浮體（＞50%），然後注入一定形狀的模具中，在一定的催化、溫度條件下，有機單體聚合，體系凝膠，從而導致懸浮體原位凝固，最後經過乾燥可得較高強度的坯體。

在從液態轉變為固態的過程中，坯體沒有收縮或收縮很小，介質的量沒有改變。它可以以淨尺寸製造複雜形狀的陶瓷部件，具有良好的坯體均勻性和高強度，其操作工藝簡單、坯體中有機物雜質含量少，而且陶瓷燒結體效能優良。

凝膠注模成型分為兩類：

一種是水溶性凝膠注模成型，另一種是非水溶性凝膠注模成型。

前者適用於大多數陶瓷成型場合，後者主要適用於那些與水發生反應的系統的成型。

優點：

（1）適用陶瓷粉末能力強，對粉體無特殊要求；

（2）可實現近淨尺寸成型，可製備出大尺寸和複雜形狀及壁厚的部件，模具可選用多種材料；

（3）成型週期短，溼坯和幹坯強度高，明顯優於傳統成型工藝所制的坯體，可進行機械加工；

（4）坯體有機物含量低；

（5）坯體和燒結體效能均勻性好；

（6）工藝過程易控制；

（7）工藝過程和操作較為簡便，裝置簡易，成本低廉。

缺點：

（1）成型與乾燥過程中可能產生氣泡和裂紋等缺陷；

（2）有機單體的毒性問題。

應用：

粗顆粒體系陶瓷、高階耐火材料、陶瓷複合材料、結構陶瓷、功能與生物陶瓷、多孔材料及粉末冶金等。

九

直接凝固注模成型

直接凝固注模成型是是將膠體化學和陶瓷工藝融為一體的一種新型的陶瓷淨尺寸膠態成型方法，該技術主要是採用採用生物酶催化陶瓷漿料中相應的反應底物，發生化學反應，從而改變漿料PH值或壓縮雙電層，使漿料中固體顆粒間的排斥力消除，產生範德華吸引力，可是澆注到非孔模具內的高固相含量、低黏度的陶瓷漿料產生原味凝固，凝固後的陶瓷溼坯有足夠的強度進行脫模。

優點：

（1）成型過程中不需要或只需要少量有機新增劑（少於1%），無毒性，所以坯體不需脫脂就可直接燒結；

（2）坯體結構均勻，相對密度高（一般達55%~65%），可成型精度高、形狀複雜的陶瓷部件；

（3）模具材料選擇範圍廣，模具成本低。

缺點：

（1）成型所以陶瓷粉末範圍有侷限性；

（2）陶瓷坯體強度比較低，不能進行素坯加工。

應用：

可應用於製備氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、多相複合陶瓷等。

十

固體無模成形

陶瓷無模成型（solid freeform fabrication，SFF）的基本原理及過程是：直接利用計算機CAD設計結果，將複雜的三維立體構件經計算機軟體切片分割處理，形成計算機可執行象素單元檔案；然後透過計算機輸出的外部裝置，將要成型的陶瓷粉體快速形成實際的畫素單元，一個一個單元疊加的結果即可直接成型出所需要的三維立體構件。

目前SFF技術已經發展成為以下6種：

（1）鐳射選區燒結法；

（2）層片疊加成型法；

（3）熔化覆蓋成型法；

（4）立體印刷成型法；

（5）三維列印成型法；

（6）噴墨列印成型法。

與傳統成型方法相比，固體快速無模成型技術具有以下優點：

（1）成型過程中無需任何模具或模型參與，使過程更加整合化，製造週期縮短，效率得以提高；

（2）成型體幾何形狀及尺寸可透過計算機軟體處理系統隨時改變，無需等待模具的設計製造，縮短新產品開發時間；

（3）由於外部成型列印畫素單元尺寸可小至微米級，因此可製備用於生命科學和小衛星的微型電子陶瓷器件；

（4）與現代智慧技術的結合，進一步提高陶瓷製備工業水平，使此領域與其他工業製造領域的進步相匹配。