陶瓷注射成形和成形用结合剂

氮化硅等特种陶瓷材料具有高强度、高耐磨性、低密度（轻量化）、耐热性、耐腐蚀性等优良性能，适用于制造涡轮加料机叶轮、摇臂式烧嘴、辅助燃烧室等汽车用陶瓷部件。这些部件要求复杂的形状、高精度尺寸和高可靠性。不允许有内在缺陷（裂纹、气孔、异物等）和表面缺陷。

能满足这些质量要求的成形技术之一，就是陶瓷注射成形法。陶瓷注射成型技术来源于高分子材料的注塑成型，借助高分子聚合物在高温下熔融、低温下凝固的特性来进行成型的，成型之后再把高聚物脱除。比传统的陶瓷加工工艺要简单的多，能制造出各种复杂形状的高精度陶瓷零部件，且易于规模化和自动化生产。由清华大学材料科学与工程系杨金龙教授发明的CiM（陶瓷胶态注射成型方法及装置）技术在国内该领域中处于领先水平。

陶瓷的注射成型技术有着诸多优点，用它制备复杂形状的陶瓷元件，不仅产品尺寸精度高、表面条件好，而且省去了后加工操作，降低了生产成本，缩短了生产周期，还具有自动化程度高、适合于大规模生产的特点。该工艺一般包括下列步骤：陶瓷粉的选取、粘结剂的选取、陶瓷粉与粘结剂的均匀混合、注射成型、脱脂、烧结。其中脱脂是关键。

起初的陶瓷成型注射技术是将大量的高分子树脂与陶瓷粉体混练在一起后得到混合料，然后装入注射机于一定温度注入模具，迅速冷凝后脱模而制成坯体。该技术适合制备湿坯强度大，尺寸精度高，机械加工量少，坯体均一的产品，适于大规模生产。对形状复杂、厚度较薄产品的制备有着明显的优越性。但是由于含有大量的高分子粘结剂，使陶瓷坯体的脱脂成为不可逾越难题，并且有毛坯易变形，容易形成气孔等缺点。

粘结剂能使粉末填充成预期形状，它对整个工艺有重要的影响。理想的粘结剂应该具有以下特点：

1）在成型温度下纯粘结剂的粘度在1Pa·s以下，流动时不发生与粉体的分离，冷却后有足够的强度和硬度；

2）为惰性物质，与粉体不发生反应；

3）在成型和混合温度以上才分解，分解的产物无毒、无腐蚀性且残余灰分少；

4）膨胀系数低，由热膨胀或结晶引起的残余应力低；

5）符合环保要求，价廉、安全、不吸湿、无易挥发组分，贮藏寿命长。

使用的大多数粘结剂可分为3类：蜡基或油基粘结剂、水基粘结剂和固体聚合物溶液。蜡基粘结剂通常含3-4个组分，聚合物控制着流动粘度、生品（烧结前的坯体）强度和脱脂的特征。短分子链的成型性能好且可使成型元件中的定向作用减至最小。蜡或油是主填充剂，在脱脂的初期被除去。表面活性剂用于改善粉末与粘结剂的相容性。增塑剂用来调节聚合物的流动特性。水基粘结剂含有水溶性聚合物、凝胶或水玻璃。这类粘结剂通常采用低压成型以避免粉末与粘结剂的分离和减少模具磨损及残余应力。由于水易于除去，这使得制造较厚的元件成为可能。粘结剂溶液的凝固或胶凝使生品具有了强度。在烧结前，水从生品中蒸发或升华出去，使变形降至最低程度。新型的、采用聚苯乙烯的固体聚合物溶液的粘结剂配方已经被采用以避免变形。主填充剂用溶液浸渍法除去。由于聚苯乙烯的骨架结构没法被削弱，所以避免了生品的变形。主填充剂是一种小的有机物分子，它既有苯环又有极性集团。苯环使它在混合时可溶于聚苯乙烯，极性集团则使它在脱脂时可溶于水或醇等溶剂中。

常见的粘结剂有聚丙烯（PP）、无规则聚丙烯（APP）、聚乙烯（PE）、乙烯一醋酸乙烯共聚体（EVA）、聚苯乙烯（PS）、丙烯酸系树脂等。其中PE具有优异的成形性；EVA与其他树脂的相溶性好，流动性、成形性也好；APP具有与其他树脂相溶性好、富于流动性和脱脂性的特征；PS流动性好。助剂有蜡石石蜡、微晶石蜡、变性石蜡、天然石蜡、硬脂酸、配合剂等。成形材料的流动性可以使用高式流动点测定器和熔化分度器进行评价。当脱脂具有结合剂的含量多时，则脱脂性有降低的倾向，助剂的石蜡多者，脱脂性好。如果有机材料在特定的温度区域不能全部飞散掉，就会影响陶瓷的烧结，因此，需要考虑热分解特性，加以选择。