流延成型是指在陶瓷粉料中加入溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑等成分,得到分散均勻的穩(wěn)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(yōu)點:設(shè)備工藝簡單,可連續(xù)生產(chǎn);可制備單相或復(fù)相陶瓷薄片材料;產(chǎn)品的缺陷小,性能均一,生產(chǎn)效率高,可連續(xù)操作;均可大、小批量生產(chǎn),適于工業(yè)生產(chǎn)。流延成型最大的特點就是它非常適用于大型薄板的陶瓷部件的制備,是壓制或者擠壓成型工藝很難實現(xiàn)的。但是,流延成型也存在著一些問題,主要是粘結(jié)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(chǎn)生開裂、卷曲、厚度不均勻等缺陷。
流延成型最早應(yīng)用于造紙、油漆和塑料等領(lǐng)域,是一種歷史悠久的成型技術(shù),主要包括制備漿料、球磨混合、成型、干燥、排膠和燒結(jié)等過程。
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(jié)劑和增塑劑,通過二次球磨得到穩(wěn)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(fā),粘結(jié)劑在陶瓷粉末之間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),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(jié)處理得到所需要的成品。
流延成型按漿料選用的溶劑及有機添加物不同,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(shù)的不斷改進和完善,近年來研究和開發(fā)了凝膠流延成型、紫外引發(fā)聚合流延成型、等靜壓流延成型等一系列特殊的流延成型方法。
有機溶劑流延成型技術(shù)在陶瓷制備的應(yīng)用上已經(jīng)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(jié)劑、增塑劑等具有很好的溶解性,且不會與陶瓷顆粒發(fā)生水解反應(yīng),可保證漿料的穩(wěn)定性,所以有機流延成型的陶瓷生坯,內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、強度高、柔韌性好、便于切割和加工。目前,有機流延成型是流延成型中應(yīng)用最為廣泛的工藝,尤其在工業(yè)生產(chǎn)中最為常見。
由于有機溶劑的相容性、易揮發(fā)、低蒸發(fā)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(fā)快、干燥時間短,易得到結(jié)構(gòu)均勻、坯體缺陷尺寸較小、強度高柔韌性好的陶瓷薄板。但有機溶劑具有一定的毒性,不可避免地給人類和生態(tài)環(huán)境帶來危害,且生產(chǎn)成本較高,成品有機物含量較高、密度較低、排膠過程易開裂。
傳統(tǒng)有機流延成型已經(jīng)比較成熟,在陶瓷領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,如制備AlN基板等,但是由于有機流延成型所使用的溶劑有毒,對人體和環(huán)境有一定的危害,因此開始逐漸將注意力轉(zhuǎn)向環(huán)保低廉的水基體系。水基流延成型以水作為溶劑,以水溶性高分子為黏結(jié)劑,克服了有機流延體系對環(huán)境有危害、成本高、成品密度低等缺點,適合應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。
但是由于水為高介電常數(shù)的極性分子,與水相溶的有機物(分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑)的選擇上要遠遠少于有機體系,同時還要確保選擇的有機物能夠在水中形成穩(wěn)定的均一漿料。常用的黏結(jié)劑有聚乙烯醇(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。同時還存在以下問題:
● 漿料除泡困難,影響坯片的質(zhì)量;
● 水基蒸發(fā)速度低,干燥時間長;
● 粘結(jié)劑含量高,排膠時素坯收縮率大;
● 水對陶瓷粉料的潤濕性較差,且水中的氫鍵易導(dǎo)致粉末的團聚;
● 水基漿料對流延工藝參數(shù)變化較敏感,導(dǎo)致很難形成光滑無缺陷的陶瓷薄膜;
● 素坯坯片韌性較差,強度不高,干燥時容易開裂等。
凝膠流延成型是將凝膠注模固化機理與流延成型方法結(jié)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(lián)劑的水溶液中,制備出低粘度、高固相體積分數(shù)的濃懸浮體(體積分數(shù)大于50%),然后加入引發(fā)劑和催化劑,在一定的溫度條件下引發(fā)有機單體聚合,使懸浮體粘度增大,從而導(dǎo)致原位凝固成型,得到具有一定強度、可進行機加工的坯體。
所使用的漿料由陶瓷粉、有機單體、交聯(lián)劑、溶劑、分散劑、塑性劑等組分配制而成。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(huán)境污染,并顯著降低生產(chǎn)成本。
陶瓷粉體是流延成型漿料的主要部分,陶瓷粉體的性質(zhì)直接影響最終產(chǎn)品的性能。流延成型工藝需考慮陶瓷粉體的以下特征:
① 純度
陶瓷粉體的化學(xué)組成對最終產(chǎn)品的性能有直接的影響,粉體中的雜質(zhì)勢必會導(dǎo)致坯體性能下降;
② 顆粒尺寸及其分布
顆粒越細,一方面越有利于致密堆積,另一方面表面能越高,燒結(jié)過程中具有更大的驅(qū)動力,都有利于得到致密的產(chǎn)物;
③ 比表面積
粉體顆粒越小,其比表面積越大,但高比表面積的粉體(大于20m2/g)對分散劑/溶劑組合和分散劑濃度的選擇造成一定困難,一般比表面積在5-15m2/g之間比較合適;
④ 團聚程度
陶瓷粉料中不能有硬團聚,硬團聚對顆粒堆積和材料燒結(jié)后的性能產(chǎn)生不良影響;
⑤ 顆粒形貌
球形的顆粒可以保證較高的致密度,但有時為了使產(chǎn)品具有特別的物理性能(如介電和壓電常數(shù)),也會選擇各非球形的顆粒。
流延成型法由于具有設(shè)備簡單、可連續(xù)操作、生產(chǎn)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(yīng)用在電子工業(yè)、能源工業(yè)等領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域也有應(yīng)用。
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