半导体设备需要大量的精密陶瓷部件，由于陶瓷具有高硬度、高弹性模量、高耐磨、高绝缘、耐腐蚀、低膨胀等优点，可用作硅片抛光机、外延/氧化/扩散等热处理设备、光刻机、沉积设备，半导体刻蚀设备，离子注入机等设备的零部件。其中，氧化铝陶瓷是使用非常广泛的精密陶瓷材料，在半导体制造设备的腔体部件、绝缘法兰盘、抛光板、抛光平台、晶圆夹盘、搬运臂等领域有着重要应用。

氧化铝陶瓷真空吸盘

精密陶瓷部件制备的难点

但在精密陶瓷部件的制备过程中，必须经过瓷胎的精加工才能成为具有一定精度的工程部件，与传统的金属材料的加工方式不同，陶瓷材料的因其晶体结构和化学键构成，使其具有硬脆特性，难以加工。因此对先进陶瓷的精加工已经发展成为一个专门的技术。先进陶瓷可以通过力学、化学、电学、光学等多种加工方式，考虑到成本、技术、能源等方面，目前还是以机械（磨料）加工为主。

以磨料加工为例，陶瓷的加工是通过一个个细小的磨粒，通过撞击瓷胎表面产生微裂纹，反复撞击导致裂纹扩展连接，瓷胎表面碎屑产生脆性断裂脱离瓷胎的过程。

陶瓷磨削工艺原理图

因此在机械加工过程中，常常带来以下问题：

（1）当每一次的加工量大于1 um时，陶瓷材料就会发生出现裂纹，随着加工的进行，部分裂纹扩展伴随着碎屑一起离开陶瓷表面，一部分仍然存在与陶瓷材料表面，对材料的强度与可靠性产生不利影响；

（2）如果磨削加工方向与成型或烧结压力方向一致，相同的加工量对材料造成的脆性断裂的就会减少，但是烧结后的产品很难判断其内部晶粒取向，加工方向选择不对，容易造成原材料的浪费；

（3）切削加工一般采用金刚石单晶车刀进行加工，刀具价格昂贵，且刀头使用寿命短；

（4）因瓷胎的烧后加工是通过微观变形的积累达到目的，所以加工周期长，能耗高，成本高，虽然先进陶瓷精密部件具有优良特性，但仍然难以广泛使用。

因此，尽量在制备流程中减少机加工量是精密陶瓷部件制备的一大发展趋势，近净成型技术将新材料、新能源、精密模具技术、计算机技术自动化技术等多种高新技术融入传统的成型技术，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械零部件，使得成形的机械构件具有精确的外形、高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度。

其中，凝胶注模成型(Gel-casting)应用较为成熟，它适用于大多数陶瓷粉料，已成功地进行了Al₂O₃、Si₃N₄、SiAlON、SiC、SiO₂、ZrO₂等多种陶瓷的成型制备。

凝胶注模成型技术

与传统胶态成型技术相比，凝胶注模成型的坯体中拥有较少的有机物含量和较高的固相含量，并且获得了均匀的、具有一定塑性、满足机械加工的高强度生坯，为制造先进陶瓷精密部件提供了可能性。

凝胶注膜成型原理图

这种技术是将单体聚合形成具有一定强度的凝胶网络的理论与传统陶瓷湿法成型工艺结合在一起实现的。将凝胶体系制备成预混液与粉料的混合，通过球磨或搅拌制备成均匀的低粘度的浆料，经过真空除气，加入引发剂、催化剂（或者一定温度条件下），将浆料注入到无孔模具中，凝胶体系聚合生成高分子三维网络结构，使颗粒原位凝固制得生坯，陶瓷粉料保留了液相的均匀性，整个生产工艺简单易连续化，且不需要大型设备。

凝胶注模成型工艺流程图

凝胶注模成型的体系

注凝成型技术，根据溶液的不同可分成水基注凝成型和非水基注凝成型。只要是原料不和水产生化学反应，则主要以水基注凝成型为主，因为非水基注凝成型所用的有机溶剂大多都对自然环境和人类健康不利，不符和建设环境友好型产业的需求。而根据有机物聚合方式的不同又可以分为自由基反应体系、亲核加成体系和天然大分子体系。

目前，丙烯酰胺（AM）体系是国内外使用最广泛的体系，其制得的生坯质量好，强度高。但是AM的神经毒性等级为4级，具有极强的水溶性，可以通过皮肤、黏膜等进入人体，因此迫切需要开发一种低毒或无毒的注凝成型体系。

天然凝胶材料体系以具有良好凝胶特性的自然高分子为主要基质，而在野生动植物中获得的多种水溶性高分子具备了很好的自然凝胶特点，例如琼脂、淀粉、卡拉胶、壳聚糖、藻酸钠、卵白蛋白等，因其在一定的自然物理生化条件可以进行胶凝反应，所以普遍的使用于食物、医药、环境化工等领域。但是一般天然凝胶所制备的生坯强度和密度较低，需要较高的添加量，限制了它们的工业化使用，因此在绿色凝胶体系的开发上仍有许多待解决的问题。

凝胶基体的形成

凝胶注膜成型的关键工艺

1. 低粘度、高固相含量的稳定料浆的制备

注凝成型制备高性能陶瓷部件的关键是低粘度、高固相含量的稳定料浆的制备。根据其流变特性、固体负载、均匀性和稳定性制备合适的粉末悬浮液，有利于浆料快速彻底的排除气体，制备均匀性好、缺陷少的坯体，避免坯体干燥和烧成过程发生开裂变形。

高固相含量的浆料对于凝胶浇注来说是理想的，可以最大限度地减少干燥和烧结收缩；低粘度分散性能好的浆料有利于完全填满复杂形状的模具的每一个细节和气体的排除，获得均匀性好的高质量生坏；较高的有机物浓度是有害的，因为它往往会在陶瓷烧结致密化过程中产生塌陷、气孔等。因此，如何制得高固相含量、低粘度的稳定料浆，是凝胶注模成型制备先进陶瓷精密部件的重要步骤。

其中，陶瓷悬浮液的流变特性主要受固体负载和胶凝剂含量的影响，通常表现出假塑性行为，它决定了从剪切变稀行为到剪切增稠行为的转变。人们普遍认为当剪切速率10 s^-1和100 s^-1之间时，粘度超过1Pa·s就不适合凝胶注膜成型了。

2.陶瓷坯体的安全干燥

注凝成型在多孔材料、复合材料、功能材料领域已经得到广泛研究，但是在实际工业生产中却少有使用。原因是凝胶化的坯体干燥过程是一个复杂且缓慢的过程，在特定的温度与湿度下，使坯体中的水通过固体介质排除到干燥介质的过程，由于坯体内部溶剂（例如水）的梯度不同，使坯体不同区域干燥速度也有差别，特别是大尺寸的坯体，更容易产生不均匀干燥收缩，引起结构应力和残余应力的集中，从而导致坯体变形、翘曲、开裂等问题。

凝胶注膜成型对干燥条件要求十分严苛，甚至在高温高湿的条件下也很容易出现裂纹变形，坯体的安全干燥对于解决尺寸精度以及裂纹的形成和扩展等问题非常重要。

在实际的凝胶浇注过程中，浆料的固化速度是通过温度控制或调节引发剂和催化剂的添加量来控制的。陶瓷生坯的内应力主要来源于前驱体悬浮液固化（温度梯度、引发剂浓度）和生坯干燥（温度、湿度）过程中的不均匀收缩。

近些年来，研究人员研究了高湿干燥、液体干燥、冷冻干燥等一系列方法，但是考虑到成本和自动化的问题，安全稳定的热干燥是最经济的。

参考来源：

1.氧化铝陶瓷精密部件制备技术的研究，马征（青岛科技大学）；

2.注凝成形工艺的研究进展，马征、梁绍臻、王志义等（山东陶瓷）；

3.凝胶注模成型法制备多孔陶瓷的研究进展，张会、赵钰明、任伟刚等（山东化工）。

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