钇稳定氧化锆（YSZ）具有优良的耐腐蚀性和机械强度，在高温环境下表现出显著的抗氧化还原能力，广泛应用于航空航天、船舶汽车、生物医学等领域。致密的YSZ陶瓷凭借其较高的O²⁻传导能力，被应用于氧传感器、氮氧化物传感器及固体氧化物燃料电池，是当前使用最经典的高温固体电解质之一。

钇稳定氧化锆制作的光纤连接器陶瓷插芯

目前，钇稳定氧化锆陶瓷也成为了半导体材料的一种研究方向，在高温共烧陶瓷工艺（HTCC）制备氧化锆厚膜陶瓷器件的过程中，流延添加剂（黏结剂与塑化剂）是影响陶瓷性能的重要因素之一。添加剂含量对钇稳定氧化锆（YSZ）流延浆料黏度、膜带厚度，及陶瓷的收缩率、相对密度、电导率及机械强度都有影响。

流延成型工艺与流程

当前，陶瓷器件成型工艺有干压成型、挤压成型、流延成型等。其中，流延成型工艺广泛应用于磁带、塑料和造纸等行业之中，同时也是平板式氧传感器生产的主要成型工艺，具有自动化程度高、生产速度快、微观结构均匀、产品质量高等优点，是制备大面积、薄、平的陶瓷或金属部件的先进工艺。目前有研究人员利用流延成型制备固体电解质与加热电极间的Al₂O₃绝缘层，也有利用流延成型制备YSZ基片作为氧传感器的固体电解质基底。

柔韧如纸张的陶瓷生带

流延成型的工艺流程如下：首先将陶瓷粉体与分散剂加入溶剂（水或有机溶剂）中，通过球磨或超声波振荡打开颗粒团聚，并使溶剂润湿粉体，再加入黏结剂和增塑剂，通过二次球磨得到稳定、均一的浆料；再将浆料在流延机上进行成型得到素坯；然后进行干燥，使溶剂蒸发，黏结剂在陶瓷粉末之间形成网状结构，得到素坯膜；接着对素坯膜进行机加工，得到所需要的特定形状；最后通过排胶和烧结处理得到所需要的成品。

流延成型法工艺流程

流延成型工艺分类

流延成型工艺根据浆料中所使用的溶剂，可分为有机流延体系和水基流延体系两种。

水基流延体系以水为溶剂，成功地解决了传统流延体系中有机溶剂的缺点，具有成本低、无毒、环保等优势。但由于水基流延存在的干燥时间缓慢、膜带强度低等问题，会对HTCC工艺中的后续操作产生影响。

有机流延体系则是流延成型技术中最早研究与应用的体系，该体系具有添加剂选择范围广泛、溶剂挥发快、干燥时间短等优点。有机流延体系中包含粉体、有机溶剂、分散剂、黏结剂、塑化剂。有机溶剂的作用是溶解分散剂、黏结剂等其他流延成分；分散剂的作用是将粉体颗粒分散并保持其均匀悬浮性；黏结剂可以将粉体颗粒聚合在一起，由于其能够决定膜带的特性，因而是流延配方中除粉体外第二个需要选择的物质；塑化剂则可作用于黏结剂，增强其可塑性。

不同种类和比例的溶剂、分散剂与添加剂组合产生了不同的流延配方。其中，合理的流延配方能够制备高质量的流延浆料，提高流延膜带的品质，有助于制备高性能YSZ氧传感器固体电解质。通过优化流延浆料配方中黏结剂和塑化剂的用量，获得能够提升浆料与膜带的质量的流延配方，从而制备更高的相对密度和电导率的YSZ陶瓷。

YSZ陶瓷流延成型的黏结剂和塑化剂

一、黏结剂

黏结剂是为了分散于陶瓷粉粒之间，连接颗粒，使流延片具有一定的强度和可操作性。选择黏结剂需要考虑的因素有：（1）素坯的厚度；（2）所选用溶剂的类型及其匹配性，应不妨碍溶剂挥发和不产生气泡；（3）易于烧除，不留残余物；（4）能起到稳定浆料和抑制颗粒沉降的作用；（5）有较低的塑性转变温度，以确保在室温下不发生凝结；（6）与衬垫材料不相粘和易于分离。

用于流延成型的黏结剂主要有纤维素类、丙烯酸树脂类及乙烯基类三种。纤维素类黏结剂只有增稠性能却难以除泡，丙烯酸树脂类则黏结性能较低。而在乙烯基类黏结剂中，聚乙烯醇（PVA）是水溶性的，控制其可燃性的通常为水基溶剂体系，聚乙烯醇缩丁醛（PVB）化学性质稳定，容易与复杂的化合物进行反应或配对，相对于其他黏结剂，PVB黏结剂可以与YSZ很好地匹配，且PVB具有良好的柔韧性，可以适应YSZ陶瓷的热膨胀系数。综上所述，目前聚乙烯醇缩丁醛（PVB）是最常用的黏结剂，适合YSZ陶瓷膜带的制备。

二、增塑剂

增塑剂是指在干燥或半干燥状态下软化黏结剂的添加剂。与黏结剂相比，它们是分子量较低的有机物，可溶于同一种溶剂中。常用的增塑剂有甘油、聚乙烯和邻苯二甲酸丁基苄酯等。增塑剂的作用机理是缩短或部分溶解黏结剂主链，达到降低黏结剂玻璃转化温度的目的，从而使得聚合物长链可以无断裂地伸长或缩短，陶瓷薄片呈现出一定弹性行为。同时，增塑剂的加入提高了聚合物链与链之间的相互作用，避免了链与链之间发生交联反应，有利于陶瓷薄片中粉体的迁移，达到了陶瓷薄片生坯可以发生弯曲而不折断，为后续干燥和加工工序奠定了基础。

目前，邻苯二甲酸丁基苄酯和PVB具有很好的兼容性，可以保持胶体的稳定性，使得YSZ流延浆料中塑化剂和粉体的溶解混合更加均匀，作为塑化剂在流延干燥中十分稳定，因此适合用于制备YSZ陶瓷膜带。

应用与展望

目前，有研究人员选择聚乙烯醇缩丁醛PVB作为黏结剂、邻苯二甲酸丁基苄酯为塑化剂，通过流延工艺制备YSZ陶瓷膜带，并研究对流延膜带及烧结后的YSZ陶瓷性能的影响。结果表明，添加剂含量的增加会使流延浆料黏度上升、膜带厚度下降；并且烧结过程中陶瓷线收缩率与热失重增大，烧结后的陶瓷密度降低，抗弯曲强度及电导率下降。

经过多年的发展，流延成型工艺已经在陶瓷工业，特别是在电子工业中得到了广泛的应用。随着时间的推移，流延成型方法将变得更加成熟，未来我们有望看到更多工艺改进和实际应用。总结来说，钇稳定氧化锆流延成型工艺是一种具有广泛应用前景的技术，值得我们进一步研究和发展。

参考文献

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【2】韩耀,李海燕,谢志鹏,等.烧结温度对振荡压力烧结工艺制备高性能氧化锆陶瓷的影响[J].稀有金属材料与工程,2020

【3】王杰,蒋晓晴等.黏结剂与塑化剂含量对YSZ流延膜带制备及陶瓷电学性能的影响[J].陶瓷学报,2023

粉体圈Alex

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