在流体静力学中存在一条帕斯卡原理：即在不可压缩的流体中，如果在其任意一点施加压力，所受的压强都会等值地传递到流体的各个方向，使每一点都会达到静力平衡的状态。具象到生活中，可以用于解释“气球为什么是圆的？”“千斤顶为什么力大无穷？”这些问题。而在粉体工艺中，这个原理也被成功利用并开发出了等静压成型技术。

帕斯卡现象

等静压成型是将待压件的粉体置于高压容器中，利用液体或气体介质不可压缩和均匀传递压力的性质从各个方向对加工件进行均匀加压，使粉体各个方向上受到的大小一致的压力，从而实现高致密度、高均匀性坯体的成型。在这过程中，材料的特性与尺寸、形状、取样方向无关，而与材料的成型温度、压力有关，因此等静压成型也可以分为冷等静压、温等静压和热等静压三种。

一、冷等静压成型

冷等静压是目前最常用的等静压成型技术，冷等静压设备在常温下运行，无需加热装置，一般由加压站、冷却系统、缸体（钢筒）、框架、上端塞（顶盖）、控制柜等组成。通常利用液体（例如水或油或乙二醇混合液体）为压力介质，利用橡胶和塑料作包套模具材料，相比热等静压，可对粉末施加更高的压力（100-630MPa），可为下一步烧结、煅造或热等静压等工序提供具有足够强度的“生坯”，并可在烧结之前对其进行较为精细的机械加工，显著减少烧结后制品的加工量。

干袋、湿袋冷等静压机结构图

（来源：阳诚基金）

根据其成型过程不同，冷等静压可分为湿袋式和干袋式两种形式。

1.湿袋法

湿袋法是将粉料先放入具有弹性的成型模具（即包套）内，经密封后再置于高压缸中进行压制，在压制过程中，包套完全浸入液体，与压力传递介质直接接触。

湿袋式冷等静压机（来源：比利时EPSI公司）

由于成型模具可以根据需求随意定制形状和尺寸，因此湿袋法的适用性很强，且可同时在一个高压缸内压制多个坯体，生产成本低廉。但要进行装袋、卸袋等才做，工序较多，生产效率较难提高，较适用于实验室制备或小批量生产。

2.干袋法

干袋冷等静压的模具是由加压模具（“干袋”）和成型模具组成的“双袋”系统，粉料装入成型橡皮模后，再一起放进加压模具内，在此过程中，成型橡皮模并不与液体介质直接接触，而是使高压介质通过干袋把压力均匀传递到模具周围。成型后，成型模具连同坯体一起由活塞带出。

大型干袋等静压机（来源：成都东谷精工机械有限公司）

这种方式的自动化程度较高，可实现连续生产，适用于大批量生产，但因加压橡皮模不易经常更换，成型的产品尺寸和形状受到限制。

二、温等静压成型

温等静压的压制温度介于热等静压与冷等静压之间，通常不超过500℃，压强范围可达300MPa左右，主要用于在室温条件下不能成型的粉体物料(如聚酰胺、橡胶等），尤其适用于电子陶瓷制品（多层陶瓷电容、燃料电池、太阳能基板）的生坯层压致密处理，在一定的温度和压力下，使生瓷体紧密粘接，形成一个完整的多层基板坯体，在一定的温度和压力下，使它们紧密粘接，形成一个完整的多层基板坯体，由于层压压力可以均匀分布到生瓷体上，基板烧结收缩一致，物理性能和电气性能因此大大提升。

温等静压机

（来源：山西鸿煷机械设备股份有限公司）

但是温等静压的温度和压力对于制品有着很大的影响，但其工作原理主要通过外部干套或内部热交换器施加到工作介质，再通过增压器不断把压力介质加入工作缸内部，达到对粉体加热加压的目的，这种工作方式会使压力介质受到摩擦、增压的作用而持续升温，较难实现对温度的精准控制，同时工作缸内均温性也难以得到保证。

三、热等静压成型

热等静压工艺是向制品施加各向同等压力（100~200MPa）的同时利用加热炉对制品施加1000~2200℃的高温，从而使制品得以烧结或致密化的过程。

江丰电子超大规格热等静压设备

热等静压原理

目前这种技术广泛用于先进陶瓷、金属合金以及增材制造等领域，既可以使粉末直接加热加压成型、烧结，也可以用于工件的粘结扩散（不同材料间发生冶金结合）以及直接对已成型的坯体进行热致密化处理，消除工件的缺陷等，对于许多合金甚至能够有近乎100%的理论密度。

热等静压粉末冶金示意图（来源：阳诚基金）

但由于需要较高的操作温导致能耗较大，同时也无法以液体作为压力介质，而需要以较为昂贵的氩气、氮气、氦气等惰性气体或其他混合气体作为压力介质，成本相对较高，也存在一定的危险性。

总结

温度和压强是等静压技术中影响制品质量的关键因素，冷等静压成型只需在常温下进行，可提供高达600MPa的压强，一般是为后续烧结提供足够强度的坯体。温等静压则常作为坯体的层压致密处理，尤其适用于电子陶瓷制品的成型。而热等静压在高温高压下进行，可一步实现陶瓷的成型与烧结，在先进陶瓷、硬质合金等硬脆材料的致密化烧结方面显示出无可替代的优势。

参考文献：

1.杜苗凤. 凝胶注模结合冷等静压成型氧化铝工艺研究[D].机械科学研究总院.

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