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一文了解陶瓷流延成型工藝及其分類

發布時間:2021-06-30 16:47:47

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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高性能陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐磨損和耐腐蝕等特點,廣泛應用于能源、信息、航空航天、電子、生物和醫學等領域。陶瓷成型方法是決定陶瓷性能的一個重要因素,而流延成型是目前生產電子陶瓷薄片常用的方法之一。今天我們就來介紹下流延成型工藝及其分類。

一、流延成型工藝及其流程

1. 流延成型

流延成型(Tape casting,又稱 Doctor blading或Knife coating),是指在陶瓷粉料中加入溶劑、分散劑、粘結劑、增塑劑等成分,得到分散均勻的穩定漿料,在流延機上制得所需厚度薄膜的一種成型方法。


與其他成型工藝相比,流延成型具有很多優點:

1) 設備工藝簡單,可連續生產;

2) 可制備單相或復相陶瓷薄片材料;

3) 產品的缺陷小,性能均一,生產效率高,可連續操作;

4) 均可大、小批量生產,適于工業生產;

5) 非常適用于大型薄板的陶瓷部件的制備,這是流延成型最大的特點,是壓制或者擠壓成型工藝很難實現的。


但是,流延成型也存在著一些問題,主要是粘結劑含量較高,因此在排膠過程中坯體收縮率較大,薄板容易產生開裂、卷曲、厚度不均勻等缺陷。

2. 流延成型工藝流程

流延成型最早應用于造紙、油漆和塑料等領域,是一種歷史悠久的成型技術,主要包括制備漿料、球磨混合、成型、干燥、排膠和燒結等過程。


流延成型的工藝流程如下圖所示。首先將陶瓷粉體與分散劑加入溶劑(水或有機溶劑)中,通過球磨或超聲波振蕩打開顆粒團聚,并使溶劑潤濕粉體,再加入粘結劑和增塑劑,通過二次球磨得到穩定、均一的漿料;再將漿料在流延機上進行成型得到素坯;然后進行干燥,使溶劑蒸發,粘結劑在陶瓷粉末之間形成網狀結構,得到素坯膜;接著對素坯膜進行機加工,得到所需要的特定形狀;最后通過排膠和燒結處理得到所需要的成品。


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流延成型法制備陶瓷基片的工藝流程圖


二、流延成型工藝分類

根據溶劑的種類,流延成型可以分為水基流延體系和有機流延體系兩大類。隨著流延成型技術的不斷改進和完善,近年來研究和開發了凝膠流延成型、紫外引發聚合流延成型向、等靜壓流延成型等一系列特殊的流延成型方法。

1. 有機流延成型

有機溶劑流延成型技術在陶瓷制備的應用上已經較成熟。由于有機溶液沸點低,有利于坯體的干燥,同時有機溶液對于聚合物黏結劑、增塑劑等具有很好的溶解性,且不會與陶瓷顆粒發生水解反應,可保證漿料的穩定性,所以有機流延成型的陶瓷生坯,內部結構均勻、強度高、柔韌性好、便于切割和加工,目前在工業生產和實驗室中得到廣泛應用。


有機流延成型常用溶劑有甲乙酮、甲苯、二甲苯、乙醇和三氯乙烯等,實際應用中則常用乙醇/甲苯、乙醇/三氯乙烯等二元共沸溶劑。

優點:

由于有機溶劑的相容性、易揮發、低蒸發潛熱、低表面張力以及可防止陶瓷粉體水化等特點,因此,有機流延成型體系添加劑選擇范圍較廣泛、溶劑揮發快、干燥時間短,易得到結構均勻、坯體缺陷尺寸較小、強度高柔韌性好的陶瓷薄板。


缺點:

有機溶劑具有一定的毒性,不可避免地給人類和生態環境帶來危害,且生產成本較高,成品有機物含量較高、密度較低、排膠過程易開裂等。

2. 水基流延成型

水基流延成型以水作為溶劑,以水溶性高分子為黏結劑,克服了有機流延體系對環境有危害、成本高、成品密度低等缺點,適合應用于大規模生產。


水基流延成型常用的黏結劑為聚乙烯醇(PVA)、纖維素(MC)和聚丙烯酸(PAA)等,常用的增塑劑有鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、丙三醇(甘油)、聚乙二醇(PEG)等。

優點:

1)無污染、綠色環保;

2)成本低,便于大規模生產。


缺點:

1)可溶于水的分散劑和粘結劑種類少,因此可選擇的范圍較窄,效果較差;

2)溶劑蒸發速率低,膜片不易干燥,特別不適合較厚坯片的流延;

3)粘結劑含量高排膠時素坯收縮率大;

4)由于氫鍵的存在,粉體多團聚;

5)對工藝參數的變化敏感,素坯膜的質量較低;

6)素坯脆性大,干燥時容易開裂等。

3. 凝膠流延成型

凝膠流延成型是將凝膠注模固化機理與流延成型方法結合在一起的一項新工藝,是利用有機單體聚合原理進行流延成型。


該法是將陶瓷粉料分散于含有有機單體交聯劑的水溶液中,制備出低粘度、高固相體積分數的濃懸浮體(體積分數大于50%),然后加入引發劑和催化劑,在一定的溫度條件下引發有機單體聚合,使懸浮體粘度增大,從而導致原位凝固成型,得到具有一定強度、可進行機加工的坯體。

水基凝膠流延成型所使用的漿料由陶瓷粉、有機單體、交聯劑、溶劑、分散劑、塑性劑等組分配制而成。

優點:

在于可極大地降低漿料中有機物的使用量,提高漿料的固相含量,從而提高素坯的密度和強度,大大減輕環境污染,并顯著降低生產成本。

三、應用

流延成型法由于具有設備簡單、可連續操作、生產效率高、坯體性能均一等特點,已成為制備大面積、超薄陶瓷基片的重要方法,被廣泛應用在電子工業、能源工業等領域。


可用于獨石電容器瓷片、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,混合集成電路基片等的制作,而在手機陶瓷蓋板領域也有應用。


(來源:電子材料圈、粉末成型圈等)





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