謝志鵬，宋 明，劉 偉

陶瓷部件的精密注射成型技術與產業(yè)化應用

謝志鵬1，宋 明2，劉 偉1

（1.清華大學材料學院，新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室，北京 100084；2.景德鎮(zhèn)陶瓷學院研究生院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

就陶瓷注射成型工藝和近年來常用到的脫脂技術及其發(fā)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(yī)療、電子汽車、現代工業(yè)、文化生活等各領域里的應用。最后，對陶瓷注射成型的未來發(fā)展趨勢進行了分析與展望。

陶瓷部件；注射成型；脫脂技術；產業(yè)化應用

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制備工藝相結合而發(fā)展起來的一種制備陶瓷零部件的新工藝。 特別是對于尺寸精度高、形狀復雜的陶瓷制品大批量生產，采用陶瓷粉末注射成型具有巨大優(yōu)勢。與傳統(tǒng)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、可凈成型復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(yōu)點[1]。早在二十世紀八十年代，伴隨著陶瓷發(fā)動機研制和渦輪轉子及葉片等高溫陶瓷部件制備的需求，美國貝特爾紀念協(xié)會組織了世界上近四十余家研究機構和公司，制定了“陶瓷注射成型”研發(fā)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。由于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(fā)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，采用注射成型技術制備的Si3N4渦輪轉子等精密陶瓷部件在日本和美國已經用于賽車和軍用裝甲車[2]。而德國著名的巴斯夫化學公司，已研發(fā)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[3]。

近年來，陶瓷注射成型已經廣泛用于各種陶瓷粉料和各種形狀陶瓷零部件的制備。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(yī)療、文化生活、機械化工、新能源等領域。并且伴隨光通訊發(fā)展對光纖連接器用氧化鋯陶瓷插芯和套筒及生物陶瓷制品的需求，進一步推動了國際國內陶瓷注射成型的產業(yè)化。

1 陶瓷注射成型工藝

1.1 陶瓷注射成型工藝流程

陶瓷注射成型制備工藝流程如圖1所示。主要包括以下幾個環(huán)節(jié)：首先是注射喂料的制備，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，然后干燥、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并冷卻固化成型，隨后通過加熱或者其他物理化學方法排除坯體內的有機物，最后燒結致密化得到各種陶瓷產品[4]。

1.2 陶瓷注射成型脫脂方法

熱脫脂屬于發(fā)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[5]；尤其是對于厚壁的陶瓷部件，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(fā)的微波加熱脫脂由于是體積性加熱，加熱過程快且均勻，時間只需要常規(guī)脫脂的一半[6,7]。

溶劑萃取脫脂最早由美國AMAX Metal Injection Molding公司發(fā)明[8]。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；另一部分是不溶于有機溶劑的高分子。該工藝大大縮短了脫脂時間，但是由于使用的溶劑大部分是有一定毒性，因此不利于環(huán)保，且后期溶劑的處理使得成本大大增加[9]。

圖1 CIM工藝流程圖Fig.1 CIM process

水萃取脫脂是基于溶劑萃取脫脂原理而開發(fā)出的一種新的脫脂方法。其最早由美國Thermal Precision Technology公司開發(fā)并應用到結構陶瓷粉末注射成型的[10]。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(huán)氧乙烷(PEO)以及纖維素和纖維素衍生出的瓊脂糖等[11,12]，另一部分是不溶于水的熱塑性樹脂。該工藝脫脂速度快、時間短、無污染。

催化脫脂首先是由德國著名的 BASF 化工公司開發(fā)的[13]，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(fā)的分子能迅速地在坯體中擴散，這樣粘結劑直接由固態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)小分子，脫脂快速且陶瓷坯體不易產生缺陷和變形。該技術對于制備大尺寸和形狀復雜的結構陶瓷部件具有優(yōu)勢。

2 陶瓷注射成型的發(fā)展與應用

從八十年發(fā)動機用陶瓷渦輪轉子和葉片等高溫部件的研制到二十一世紀初光纖連接器用陶瓷插芯的開發(fā)，陶瓷注射成型在過去二十幾年發(fā)展中日趨完善。美國、歐州、日本等發(fā)達國家不斷開發(fā)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(qū)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(yè)化也快速推進。目前，陶瓷注射成型技術開始向精密化發(fā)展，研究與開發(fā)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，因此只能采用注射成型。目前光纖連接器所需陶瓷插芯和陶瓷套管主要由中國制造，包括廣東潮州三環(huán)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。

2.2 生物陶瓷制品

主要包括人造陶瓷牙齒、種植牙陶瓷固定螺桿、人工關節(jié)、固定牙冠套、牙齒正畸用陶瓷托槽等，如圖3所示。據世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，牙齒畸形并發(fā)率約為49%，在美國50-60%的家庭都會進行牙齒正畸，必須配帶牙齒矯形托槽。采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。

2.3 文化生活用陶瓷

陶瓷粉末注射成型已成功用于陶瓷表殼、表鏈的制備，如香奈兒國際品牌陶瓷表和瑞士“雷達”永不磨損高檔手表的表殼和表鏈。近幾年高檔手機的外殼和按鍵也采用陶瓷注射成型，均采用耐磨ZrO2陶瓷材料，拋光后表面粗糙度控制在30 nm左右，如圖4所示。

圖2 光纖連接器用陶瓷插芯與套管Fig.2 Ceramic ferrules and sleeves for optical fiber connector

圖3 生物陶瓷制品Fig.3 Bio ceramic products

圖4 陶瓷表殼、表鏈、手機蓋板、外殼Fig.4 Ceramic watch case, watch band, mobile phone cover and case

2.4 電子用精密陶瓷部件

在IT和電子行業(yè)中，元器件散熱需要用到風扇，風扇中馬達若采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(yōu)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，因此是制造陶瓷軸承的理想候選材料，如圖5所示。

2.5 機電工業(yè)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。

2.6 透明氧化鋁陶瓷產品

許多透明氧化鋁陶瓷產品已采用注射成型技術制備，包括牙齒矯正用透明陶瓷托槽、陶瓷金屬鹵化物燈泡內的透明陶瓷電弧發(fā)光管、以及集實用與美觀于一體的半透明氧化鋁陶瓷杯，如圖7所示。

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(yè)的發(fā)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)制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。

2.8 醫(yī)療器械用陶瓷部件

目前，在醫(yī)療領域陶瓷注射成型技術也得到了越來越多的應用。采用陶瓷注射成型工藝制作陶瓷手術刀等多種醫(yī)療器械(如圖9所示)，具有抗菌、耐腐蝕、不易被玷污等傳統(tǒng)金屬器械所不具備的優(yōu)點。

圖5 電子用精密陶瓷部件Fig.5 Precision ceramic components for electronic applications

圖6 機電工業(yè)用精密陶瓷部件Fig.6 Precision ceramic components for mechanical and electrical applications

圖7 透明氧化鋁陶瓷產品Fig.7 Transparent alumina ceramic products

2.9 紡織機械用耐磨陶瓷件

紡織工業(yè)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。這些產品形狀復雜、尺寸精度高，因此廣泛采用陶瓷精密注射成型制備技術。像德國賽瑯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8 精密機械與微型陶瓷部件Fig.8 Precision machinery and micro ceramic components

圖9 醫(yī)療器械用陶瓷手術刀等零部件Fig.9 Ceramic scalpels and other medical components

圖10 紡織機械耐磨陶瓷零部件Fig.10 Wear-resistant ceramic components for textile machinery

圖11 注射成型各種陶瓷噴嘴Fig.11 Injection-molded ceramic nozzles

2.10 環(huán)保、化工、冶金用陶瓷噴嘴

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

3 總結及展望

通過二十多年的研究與技術開發(fā)，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制備技術，并且獲得越來越多的應用。然而由于陶瓷注射成型工藝環(huán)節(jié)多，特別是脫脂過程容易產生缺陷，此外模具制備周期較長；因此今后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(yōu)化；

(3)高效脫脂方法及設備的開發(fā)，希望在無缺陷的前提下加快粘結劑的脫除；

(4)降低模具制造成本及周期；

(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(yè)化應用將進一步擴大；它必將成為一種高效率、低成本、適合于高質量精密陶瓷產品的制備技術，從而在現代陶瓷工業(yè)中占有重要地位。

[1] 謝志鵬.結構陶瓷[M]. 北京: 清華大學出版社, 2010: 148-167.

[2] MUTTSUDDY B C. Injection moulding.// Engineered Materials Handbook: Vol. 4.Cleveland, OH：ASM International, 1991(4): 173-180.

[3] 謝志鵬. 陶瓷注射成型的研究[D]. 北京: 清華大學, 1993.

[4] 雅菁, 劉志鋒, 周彩樓, 辛穎, 趙丹. 陶瓷注射成型的關鍵技術及其研究現狀[J]. 材料導報, 2007, 21(1): 63-67.

[5] GERMAN R M. The thermal debinding of injection molded powder compacts. Powder Metall. Int., 1990, 22(1): 17-22.

[6] XIE Z P, HUANG Y, WU J G. Effect of powder characteristics and grinding process on fluidity of ceramic injection molding. J.Mater. Sic. Lett., 1995, 14(16): 1165-1167.

[7] XIE Z P, HUANG Y, WU J G, et al. Microwave debinding of a ceramic injection molded body. J. Mater. Sci. Lett., 1995, 14(11): 794-796.

[8] JJohnson K P. Metal injection molding by the InjectAMAX process.// Metal Injection Molding (II). Princeton, NJ: MPIF, 1989: 17-23.

[9]WU R Y, WEI W C. Eur. Ceram. Soc., 2000, 20: 67-75.

[10] THOMAS Y, MARPLE B R. Partially water-soluble binder formulation for injection molding submicrometer zirconia.Advanced Performance Materials, 1998, 5: 25-41.

[11] RIVERS D. Method of injection moulding powder metal parts: US, 4113480. 1978.

[12] FANELLI A J, SILVERS R D, FREI W S, et al. New aqueous injection molding process for ceramic powders. J. Am. Ceram.Soc., 1989, 72: 1833-1836.

[13]彭先明.金屬注射成型及其在歐洲的新發(fā)展[J].粉末冶金技術，1998,16(2):126-136.

Precision Injection Molding Technology and Industrial Application of Ceramic Parts

XIE ZhiPeng1, SONG Ming2, Liu Wei1
(1. State Key Laboratory of New Ceramic and Fine Technology, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Graduate School of Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

This paper has reviewed the development tendency of ceramic injection molding technology and its widely-used debinding techniques. In addition, a comprehensive review has been given of the application of ceramic injection molding in the fields of optical communication, bio medicine, automotive electronics, modern industry, and cultural life. Finally, the prospects for the future development of ceramic injection molding are predicted.

ceramic parts; njection molding; debinding technology; industrial application

TQ174.6+2

A

1006-2874(2015)01-0031-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2015.01.008

2014-10-21。

2014-10-26。

謝志鵬，男，教授。

Received date: 2014-10-21. Revised date: 2014-10-26.

Correspondent author:XIE Zhipeng, male, Professor.

E-mail:xzp@mail.tsinghua.edu.cn