趙靖 王璽 聶洪波 董廣成

摘 要：氧化鋁陶瓷注射成型是一種制備陶瓷零件的新型技術(shù)。目前已得到良好的產(chǎn)業(yè)應用。本文論述了該技術(shù)最新的國內(nèi)外發(fā)展狀況，分析了我國在陶瓷CIM領(lǐng)域面臨的市場問題，認為當前氧化鋁陶瓷注射成型產(chǎn)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是創(chuàng)新和行業(yè)融合性不足，產(chǎn)業(yè)利潤率提升慢，材料種類單一。展望未來，應建立“應用拓展、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、行業(yè)聯(lián)合”的思路，以推進氧化鋁陶瓷注射成型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為建設(shè)創(chuàng)新型國家提供有力支持。

關(guān)鍵詞：氧化鋁陶瓷;注射成型;產(chǎn)業(yè)發(fā)展

1 氧化鋁陶瓷注射成型概述

陶瓷通常是經(jīng)過制粉、成型、燒結(jié)等工藝制成，從其應用來看，可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類。氧化鋁是結(jié)構(gòu)陶瓷的主力軍，在陶瓷領(lǐng)域內(nèi)有著重要的地位。氧化鋁（尤其是α-Al2O3）的導熱性高、硬度高、電阻率大、耐腐蝕、耐高溫，且具有很強的抗氧化性。以純的α-Al2O3含量多少，依次衍生出了一個大系列的結(jié)構(gòu)陶瓷種類，包括剛玉瓷、95瓷、85瓷、莫來石瓷等。

氧化鋁陶瓷材料低塑性的特點決定了其成型工藝中，是可以近凈成型方式進行的。近年來，氧化鋁陶瓷應用領(lǐng)域不斷增加，對于陶瓷件的復雜度、精密度等方面提出了更嚴苛的要求。傳統(tǒng)的氧化鋁陶瓷成型技術(shù)在匹配這些需求時顯得力不從心。粉末注射成型（Powder Injection Molding，PIM）是上世紀美國成形物理公司研究出的一種新型技術(shù)[1]，它將塑料的注塑成型和粉末冶金技術(shù)完美的結(jié)合，能夠獲得尺寸精密、形狀復雜度高的陶瓷零件。經(jīng)過燒結(jié)后，一般無需進行后處理或僅需極少的后處理工藝，其尺寸公差可達±0.1%左右，且與塑料注塑過程類似，生胚成型時所產(chǎn)生的注塑管道等材料可重復利用，有利的保證了材料的高回收率。

從使用材料來講，PIM可細分成金屬注射成型（Metal Injection Molding，MIM）和陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding，CIM）兩類。氧化鋁陶瓷注射成型屬于CIM，其基本工藝過程為將氧化鋁粉和其他無機材料粉末混合后，添加一定量的粘結(jié)劑，一般為石蠟、聚乙二醇、聚醛樹脂[2]等。為使這些陶瓷粉末具備塑料的可注塑性，粘結(jié)劑的添加量遠遠超過常規(guī)干壓成型等方法所需要的粘結(jié)劑含量。粘結(jié)劑與氧化鋁陶瓷粉體均質(zhì)后進入特制的陶瓷注塑機進行成型，然后再用各種方式脫脂、燒結(jié)，最后經(jīng)加工制成產(chǎn)品。其工藝流程圖如圖1所示。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，氧化鋁陶瓷注射成型技術(shù)已經(jīng)展示了重要的價值地位和多樣化的應用前景，是先進制造和智能制造的一個發(fā)展方向。為搶占疫情防控常態(tài)下的發(fā)展機遇，滿足3C、家用電器、汽車、醫(yī)療等行業(yè)的生產(chǎn)需求，了解氧化鋁CIM技術(shù)的現(xiàn)狀，探討其產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向，開發(fā)新型的CIM技術(shù)對建設(shè)創(chuàng)新型國家、實現(xiàn)現(xiàn)代化具有深刻的意義。

2 氧化鋁CIM產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)規(guī)模增加

現(xiàn)在，氧化鋁CIM已經(jīng)發(fā)展成具有很高競爭力的、制造復雜小型零件的成形方法，2002年全球從事氧化鋁的注射成形的公司是70家。2010年擴大到130家左右，2015年統(tǒng)計氧化鋁CIM的企業(yè)已經(jīng)超過200家，全球有二十幾個公司提供喂料。整個氧化鋁CIM行業(yè)的從業(yè)人員達到三千多人。其中，純剛玉氧化鋁材料CIM占了總利潤的80%以上[3-6]。圖2是2010年和2019年全球氧化鋁CIM銷售額的分布圖。從圖上可以看出，近年來，亞洲的發(fā)展速度非常迅速，無論是從市場占有率、產(chǎn)品外形還是應用行業(yè)來講，都有了明顯的進步。

我國氧化鋁CIM技術(shù)發(fā)展較快，產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步增長，上下游的產(chǎn)業(yè)鏈條正在趨于完善，形成了較好的產(chǎn)業(yè)格局，并逐步建立了完整的氧化鋁CIM生態(tài)體系。根據(jù)中國粉末冶金協(xié)會產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計，在2015-2019年五年間，我國從事PIM生產(chǎn)的企業(yè)規(guī)模增速超過35%[7-9]，這一速度超過了世界平均水平。在氧化鋁CIM方面，我國的本土企業(yè)也有了一定量的成長，涌現(xiàn)出浙江景鵬、山東鵬程等一批龍頭企業(yè)[10]，業(yè)務量和銷售額也在逐年進步。

2.2 應用領(lǐng)域不斷拓展

進入21世紀以來，粉末注射成型的產(chǎn)業(yè)化大幅增長。應用領(lǐng)域從最開始的航空工業(yè)，軍工業(yè)等方面逐漸滲透到民用領(lǐng)域，諸如汽車、電子、醫(yī)療、通訊等等。尤其是近五年來，隨著3C數(shù)碼的需求量持續(xù)增加，在這些行業(yè)（尤其是手機產(chǎn)業(yè)）里的氧化鋁CIM應用也取得了長足進步。例如，小米手機的幾款新型5G手機產(chǎn)品的后殼就采用了氧化鋁注射成型制造。如表1所示，現(xiàn)在氧化鋁CIM零件在很多領(lǐng)域如醫(yī)療、通訊、機加工、武器裝備等都有很好的應用空間[11-13]。

3 問題與挑戰(zhàn)

從當前氧化鋁CIM發(fā)展所取得的成績來看，我國氧化鋁CIM行業(yè)的規(guī)模是值得肯定的，但與歐美日等發(fā)達地區(qū)和國家相比，在基礎(chǔ)理論、粘結(jié)劑體系、脫脂關(guān)鍵工藝等方面仍存在較大的差距，因此產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)也十分顯著。從氧化鋁CIM角度分析，我國的氧化鋁陶瓷注射成型的核心裝備（如陶瓷注射成型機等）和關(guān)鍵元器件（如耐磨螺桿等）還需要進口;一些先進的粘結(jié)劑體系和脫脂工藝的工業(yè)應用主要在歐美國家進行開發(fā)。這些國家和地區(qū)借助資金、人才和技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)置了各種技術(shù)壁壘。我國在氧化鋁CIM產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題和挑戰(zhàn)主要包括以下幾個方面。

3.1行業(yè)融合性不足

粉末注射成型的一些關(guān)鍵性技術(shù)基本都是歐美等國家率先開展起來的。從陶瓷產(chǎn)量來講，我國一直穩(wěn)居世界前列，但是關(guān)鍵核心的工藝卻一直是跟隨國外的先進技術(shù)。以氧化鋁CIM流程中最關(guān)鍵的脫脂工藝技術(shù)為例，傳統(tǒng)的氧化鋁陶瓷CIM的熱脫脂速率慢，所需時間長且最終燒結(jié)體容易產(chǎn)生變形、氣孔等缺陷，導致了CIM的氧化鋁器件很難在厚壁零件上取得進展。因此國外發(fā)展出來體積性加熱、加熱過程快且均勻的微波加熱脫脂技術(shù)[14]、時間縮短一半以上的水溶性脫脂技術(shù)[15]、流變性能更高的凝膠脫脂技術(shù)[16]等，而國內(nèi)企業(yè)基本上則會在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上進行修補完善，沒有完整的自我創(chuàng)新。

近幾年德國著名的化工公司BASF[17]，在CIM行業(yè)開發(fā)了一鳴驚人的催化脫脂技術(shù)。催化脫脂的過程是一個固相轉(zhuǎn)化為氣相的過程，從而避免了熱脫脂過程中由于出現(xiàn)了液相而導致的生胚軟化，也避免了由于重力、內(nèi)應力影響而產(chǎn)生的燒結(jié)體變形和缺陷，而其最大的優(yōu)勢在于脫脂速度是目前已知所有脫脂工藝中最高的。催化脫脂的原理是利用硝酸或草酸做催化劑，把聚甲醛等有機載體大分子分解為甲醛，甲醛迅速在胚體中擴散完成脫除[18]。表2是催化脫脂技術(shù)和其他幾種脫脂技術(shù)的工藝優(yōu)缺點對比表。BASF公司在推廣該技術(shù)時甚至將氧化鋁陶瓷注射成型后的生胚制成了可以彈跳的球體，以證明其生胚的力學強度性能。與此同時，德國PIM行業(yè)兩大制造商阿博格（Arburg）注塑機公司和克萊默（Cremer）熱處理設(shè)備公司，攜手BASF共同成立了行業(yè)的A.B.C聯(lián)盟[19-21]，在氧化鋁CIM產(chǎn)業(yè)中，涵蓋了從原料、注塑到連續(xù)燒結(jié)的全過程。

但是BASF的產(chǎn)品已經(jīng)申請了專利保護，并將這種以聚醛樹脂（POM）為粘結(jié)劑體系的一大類材料（包括多種金屬材料和陶瓷材料）命名為Catamold。因此國內(nèi)企業(yè)如果想使用這種材料進行氧化鋁CIM的生產(chǎn)，只能花高價購買此材料或支付不菲的專利使用費用。這個技術(shù)成本遠遠超過了氧化鋁陶瓷的生產(chǎn)成本，甚至超過了成品價格。這給我國的科技人員和生產(chǎn)企業(yè)一個警示，必須發(fā)展我國獨立的創(chuàng)新技術(shù)支撐氧化鋁CIM產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并成立行業(yè)內(nèi)聯(lián)盟，確保團隊作戰(zhàn)，優(yōu)勢互補，達到技術(shù)領(lǐng)先的目的。

3.2 產(chǎn)業(yè)利潤率提升較慢

從國內(nèi)來看，主要的氧化鋁陶瓷CIM公司還是分布在長三角，珠三角地區(qū)。這是由于這些地區(qū)的上游原材料供應商和下游應用企業(yè)資源充足。其余地區(qū)如華北、陜西，河南，兩湖地區(qū)也有部分廠商，但規(guī)模都不大[22-23]。而如果沒有這些便利的地理位置優(yōu)勢，氧化鋁陶瓷的注射成型產(chǎn)業(yè)很難得到開展，說明其產(chǎn)業(yè)利潤率較低。從氧化鋁陶瓷的CIM工藝中可以看出，脫脂時間長、能耗高、產(chǎn)品生產(chǎn)周期長等因素都制約產(chǎn)品利潤的提升。因此必須從技術(shù)上進行革新，達到更好的市場競爭力。圖3是廈門某企業(yè)在開展前期調(diào)研時，筆者根據(jù)其生產(chǎn)的場地、人工、能源、產(chǎn)品（95瓷管）等因素，所進行的CIM項目生產(chǎn)可行性分析。分為自制物料和外購物料兩種情況。從圖3中可以看出，若采用BASF生產(chǎn)的POM基注塑料，則其成本的72%將會被原材料所占據(jù)，因此根本無法實現(xiàn)市場化。只有提升了自制物料的技術(shù)水平，才可能使產(chǎn)品的生產(chǎn)成本下降，并具備與其他氧化鋁成型生產(chǎn)方式爭奪市場的能力。

2.3 材料種類相對單一

盡管氧化鋁陶瓷產(chǎn)品是一個龐大的家族，但從CIM行業(yè)看，目前行業(yè)領(lǐng)先者并不突出。BASF雖然一直在大力推廣其Catamold系列材料，但由于價格較高，未能有大范圍的普及。阿博格注塑機也成立了專門用于CIM機型的研發(fā)中心[24]，同樣受制于價格和生產(chǎn)效率，推進速度緩慢。現(xiàn)階段氧化鋁CIM的產(chǎn)業(yè)化主要是由99瓷或剛玉的CIM陶瓷產(chǎn)品構(gòu)成，約占整個氧化鋁CIM行業(yè)銷售額的95%以上[25]。這是因為剛玉或99瓷產(chǎn)品附加值較高，對于復雜產(chǎn)品來說有一定的利潤率。但是其他氧化鋁陶瓷材料的CIM產(chǎn)業(yè)還處于一個需要提升的階段。尤其是一些非剛玉瓷的器件，例如95瓷、85瓷甚至75瓷等，其產(chǎn)品應用領(lǐng)域十分廣泛，產(chǎn)量也位居結(jié)構(gòu)陶瓷之首，卻因為生產(chǎn)成本過高而使這些材料的CIM技術(shù)無法進入市場。因此，一定要大力發(fā)展新的CIM工藝，使成本、能耗和生產(chǎn)周期進一步顯著降低，才能使氧化鋁陶瓷總體的CIM產(chǎn)業(yè)有明顯提升。

4 結(jié)論與展望

我國已進入十四五時期，在這個偉大的年代，科技人員要堅持創(chuàng)新的核心地位，并豎立科技自立自強的信念。智能制造技術(shù)和先進無機非金屬材料技術(shù)都是十四五規(guī)劃的科技重點發(fā)展方向。從未來的發(fā)展趨勢來看，盡管近期受到了新冠疫情的影響，產(chǎn)業(yè)的擴展出現(xiàn)一定程度的減緩[26]，但是整體還是呈現(xiàn)了良好的態(tài)勢。在氧化鋁陶瓷的CIM產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，應進一步加強基礎(chǔ)理論研究，建立創(chuàng)新工藝，降低成本、提高質(zhì)量。要加強在氧化鋁陶瓷行業(yè)的CIM材料體系發(fā)展，重點發(fā)展目前用量最多的95瓷、85瓷等系列產(chǎn)品，使氧化鋁的CIM產(chǎn)業(yè)進入高速發(fā)展期，縮短甚至趕超歐美日等發(fā)達國家。同時，利用已經(jīng)積累的多行業(yè)經(jīng)驗，重點革新和升級我國的特色裝備，打破國外設(shè)置的重重技術(shù)壁壘，推動高性能和高精密度的氧化鋁CIM工藝與裝備及其配套技術(shù)的創(chuàng)新性發(fā)展。

氧化鋁陶瓷注射成型技術(shù)憑借其更高的材料利用率，更靈活的制造復雜外形產(chǎn)品等優(yōu)勢，對其他氧化鋁陶瓷成型工藝的替代作用越來越強，未來的應用領(lǐng)域也將越來越廣。當前，全球粉末冶金技術(shù)和注塑技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，技術(shù)和應用方面要不斷推陳出新，抓住新的應用市場?？傮w而言，要把握“應用拓展、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新”的思路。應用拓展方面需結(jié)合氧化鋁CIM工藝特點進行產(chǎn)品設(shè)計和優(yōu)化，優(yōu)先發(fā)展復雜零件需求較多的市場，如電子、醫(yī)療、通訊等行業(yè);產(chǎn)業(yè)發(fā)展要結(jié)合氧化鋁CIM設(shè)備和裝備的特點，提高氧化鋁CIM批量生產(chǎn)能力，建立原料到市場的完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，培育一批具有國際競爭力的領(lǐng)先科研團隊和生產(chǎn)企業(yè);技術(shù)創(chuàng)新方面，要力求完善氧化鋁陶瓷CIM的行業(yè)標準，結(jié)合云制造、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)及其他基于工業(yè)4.0的智能集成系統(tǒng)，促進CIM材料、設(shè)備和技術(shù)的全面革新。隨著疫情后期經(jīng)濟回暖，3C工業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)和汽車工業(yè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，氧化鋁陶瓷注射成型產(chǎn)業(yè)定將迎來更廣闊的市場。

參考文獻

[1] Krauss V A， Oliveira A A M， Klein A N， et al. A model for PEG removal from alumina injection molded parts by solvent debinding[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2006， 182：268-273.

[2] Thomas Y， Marple B R. Partially water-soluble binder formulation for injection molding sub micrometer zirconia[J]. Advanced Performance Materials， 1998， 5：25-41.

[3] Liang S Q， Huang B Y， Ahmad Z A， et al. Preparation and evaluation of Al2O3 plastic forming feedstock with partially water soluble polymer as a binder[J]. Mater. Process Tech.， 2003， 137：128-131.

[4] 趙威， 饒平根. Si3N4陶瓷注射成形研究進展[J]. 佛山陶瓷， 2012， 193（9）： 7-10.

[5] Eva Hnatkova. Berenika Hausnerova. Petr Filip. Evaluation of powder loading and flow properties of Al2O3 ceramic injection molding feedstocks treated with stearic acid[J]. Ceramics International， 2019， 45（16）： 20084-20090.

[6] Huang B S， Fu S， Zhang S S， et al. Effect of different contents of zirconia and yttrium oxide on microstructure and properties of high alumina ceramics[J]. International Journal of Applied Ceramic Technology， 2020， 17（3）： 1183-1193.

[7] 宋明， 謝志鵬， 溫佳鑫等. 先進陶瓷注射成型的脫脂工藝進展[J]. 陶瓷學報， 2015， 36（2）： 119-126.

[8] 周剛， 奉龍彪， 周志勇等. 陶瓷粉末注射成型工藝及研究進展[J]. 材料研究與應用， 2018， 12（02）： 75-80.

[9] 王如波， 王勇， 顧濤. 粉末注射成型技術(shù)的研究和應用[J]. 橡塑技術(shù)與裝備， 2020， 46（02）： 22-27.

[10] 楊萌萌. 基于注射成型的Al2O3陶瓷3D打印技術(shù)工藝研究[D]. 蘭州大學， 2018.

[11] Thomas-Vielma P， Cervera A， Levenfeld B， et al. Production of Alumina Parts by Powder Injection Molding with a Binder System Based on High Density Polyethylene[J]. Journal of the European Ceramic Society， 2008， 28（4）： 763-771

[12] Wilson P J， Blackburn S， Greenwood R W， et al. The effect of alumina contamination from the ball-milling of fused silica on the high temperature properties of injection molded silica ceramic components [J]. Journal of the European Ceramic Society， 2011， 31（6）： 977-981.

[13] Zhang X， Liang S， Zhang P， et al. Fabrication of transparent alumina by rapid vacuum pressureless sintering technology[J]. Journal of the American Ceramic Society， 2012， 95： 2116-2119.

[14] 賀毅強， 胡建斌， 張奕等. 粉末注射成形的成形原理與發(fā)展趨勢[J]. 材料科學與工程學報， 2015， 33（1）： 139-144.

[15] Ren S B， Qu X B， Humail I S， et al. Effects of Binder Compositions on Characteristics of Feed stocks of Micro sized SiC Ceramic Injection Molding[J]. Powder Metallurgy， 2007， 50（3）： 255-259.

[16] 張俊， 張偉閣， 高成慧. 凝膠注射成型氧化鋁陶瓷坯體的力學性能研究[J]. 廣西輕工業(yè)， 2011（12）： 28-29.

[17] Stuer M. Nano pore characterization and optical modeling of transparent polycrystalline alumina[J]. Advanced Functional Materials， 2012， 22： 2303-2309.

[18] 胡鵬程. 陶瓷的注射成型技術(shù)及其研究進展[J]. 中國陶瓷工業(yè)， 2018， 25（5）： 14-18.

[19] 鮑崇高， 許飛. 擠出成形法制備多孔 SiC 陶瓷工藝研究[J]. 稀有金屬材料與工程， 2011， 40（1）： 604-607.

[20] 朱玉苗， 高萬夫. Al2O3陶瓷注射成型工藝實驗研究[J]. 硅谷， 2013（3）： 116-117.

[21] 彭和. 蔣顯全， 李婧等. 氧化鋁陶瓷注射成型研究進展[J]. 功能材料， 2015， 46（21）： 21007-21012.

[22] 張笑， 鮑崇高， 喬冠軍等. 氧化鋁陶瓷注射成型用黏結(jié)劑及混料工藝研究[J]. 西安交通大學學報， 2011， 45（1）： 127-131.

[23] 邱耀弘. 利用混煉方式作為PIM喂料改性技術(shù)[C]. 第三屆上海國際注射成型高峰論壇論文集， 2014.

[24] 謝志鵬， 宋明， 劉偉. 陶瓷部件的精密注射成型技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應用[J]. 中國陶瓷工業(yè)， 2015， 22（1）： 31-36.

[25] 王澤群， 劉琦， 肖邦國. 我國粉末冶金產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和市場前景[C]. 第十一屆中國鋼鐵年會論文集——S19.冶金技術(shù)經(jīng)濟， 2017.

[26] Hehan Xie， Jie Jiang， Xianfeng Yang et al. Theory and practice of rapid and safe thermal debinding in ceramic injection molding[J]. International Journal of Applied Ceramic Technology， 2020， 17（3）： 1098-1107.