氧化铝陶瓷是以氧化铝为主体的无机非金属材料，具有良好的传导性、很高的机械强度和耐高温性。是一种用途广泛的陶瓷。得益于其优越的性能，在现代工业的应用已经越来越广泛。我们已经非常了解氧化铝陶瓷的生产工艺流程了，从制粉到成型，从烧结到精加工。然而在这一环环以氧化铝为主体的加工过程中，存在着这么一些化学材料，它们往往添加量小，甚至在加工到一半时还要被去除，却能以四两拨千斤的气势给氧化铝陶瓷的制备过程带来非凡的效果。这些魔法般的材料，便是本期文章关注的重点——氧化铝陶瓷制备过程中所用到的各类化学助剂。

氧化铝陶瓷制备过程中所用到的各类化学助剂及其添加环节

一、分散剂

分散剂的主要作用是将固体颗粒分散在液体介质中，避免颗粒的聚集和沉淀，这对于一些颗粒非常细小的物质尤为重要，因为细小的颗粒更容易聚集并失去分散状态。

（1）原理

通常当固体颗粒添加到任何液体介质中时，由于分子内力，它们往往会相互吸引，分散剂的作用是最初将这些颗粒彼此分离并连续避免进一步团聚。首先，将基团吸附到颜料和填料表面，它们与存在于颗粒表面的化学基团形成牢固的物理键，即所谓的锚定位点。其次，可溶性尾部在固体颗粒周围形成一层膜，防止分散的颗粒再次粘合在一起，并确保胶体稳定性。这些对抗粒子自然吸引力的排斥力有两种：①静电排斥：粒子表面带同等电荷，它们相互排斥；②空间排斥：尾部在固体颗粒周围形成一层膜，防止颗粒相互碰撞。

分散剂物理化学原理

对于无机粉体所使用的分散剂，由于材料具备表面极性相对较高、颗粒较粗糙、比表面积较小的特点，推荐使用分子量较低、颗粒亲和基团较少类型的分散剂，如阴离子型分散剂（羧酸盐类、磷酸酯类、磺酸盐类等）。当然，我们也要依照具体工艺要求，比如溶剂是水相/油相，是/否含钠盐等，来优化分散剂的选择。

常用分散剂选择方案

（2）应用环节

-制粉-均相沉淀法

均相溶液中的沉淀过程是晶核形成，然后聚集长大，最后从溶液中析出的过程，通常是非平衡态的，但如果能够使沉淀剂在均相溶液中的浓度降低，甚至是缓慢地生成，那么就会均匀地生成大量的微小晶核，最终形成的细小沉淀颗粒会均匀地分散在整个溶液当中，而且会在相当长的时间内保持一种平衡状态，这种获得沉淀的方法称为均相沉淀法。

均相沉淀法由于原料成本低，设备简单，工艺条件易于控制等优势，在亚微米级球形氧化物粉体制备中较为常用。但在制备氧化铝球形粉体时，仍存在粉体团聚问题。采用分散剂（表面活性剂）来控制粉体形貌和消除硬团聚是最经济、应用较为广泛的方法。

-制粉-球磨

研究表明，采用晶粒细小、比表面积大、 表面活性高的超细氧化铝粉料，由于粉末颗粒间扩散距离短，仅需较低的烧结温度和烧结活化能。因此，在球磨环节如果能够有效降低氧化铝粉末的粒度，对后续烧结环节和最终制备氧化铝陶瓷的性能具有重要影响。

而在球磨过程中加入适量的分散剂（助磨剂）可以提高粉碎效率，减少球磨机研磨时间，得到粒径更小的产品。

-成型-流延成型

流延成型又称为刮刀成型。它的基本原理是将具有合适黏度和良好分散性的陶瓷浆料从流延机浆料槽刀口处流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动使浆料铺展，在表面张力的作用下形成具有光滑上表面的坯膜，坯膜的厚度主要由刮刀与基带之间间隙来调控。

在浆料配制过程中，粉体的分散性尤为重要。对于水系流延成型而言，常用的分散剂包括聚丙烯酸（PAA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚丙烯酰胺。

-成型-凝胶注模成型

凝胶注模成型技术将传统的粉体成型工艺与有机聚合物化学结合，将高分子单体聚合的方法灵活地引入到粉体成型领域中，通过制备低黏度、高固相体积分数的悬浮液来实现净尺寸成型高强度、高密度均匀坯体。其基本思想是采用具有三维网络结构的高分子物质将分散均匀的粉体悬浮液中的颗粒包裹使之原位固定，从而得到具有粉体与高分子物质复合结构的坯体。

目前，凝胶注模成型技术的研究重点之一是研究高固相体积分数、低黏度悬浮浆料的制备，特别是多组元浆料的制备，这时就需要针对体系来选取合适的分散剂。

二、粘结剂

凡是能把同种或不同种的固体（或粉体）材料表面连接在一起的媒介物质统称为粘结剂。通过粘结剂的粘接力使固体表面连接在一起的方法叫粘结。

（1）原理

粘结是一门不同材料界面间接触后相互作用的界面科学课题，诸如被粘物与粘料的界面张力、表面自由能、官能基团性质、界面间反应等都影响粘结。现有的粘结理论包括吸附理论、化学键形成理论、弱界层理论、扩散理论、静电理论、机械作用力理论等，具体的理论可参考其他专著，本文不再展开。

粘结剂的作用过程

根据粘结剂的材料类型，可以分为有机粘合剂（环氧树脂、有机硅、酚醛树脂、丙烯酸类等）和无机粘结剂（硅酸盐类、磷酸盐类、铝酸盐等）。针对氧化铝等无机粉体，通常可使用一定含量的聚乙烯醇（PVA）、阿拉伯树胶、聚乙二醇作为粘结剂。

（2）应用环节

-成型-干压成型

干压成型又称模压成型，是最常用的成型方法之一。将经过造粒、流动性好，颗粒级配合适的粉料，装入金属模腔内，通过压头施加压力，压头在模腔内位移，传递压力，使模腔内粉体颗粒重排变形而被压实，形成具有一定强度和形状的陶瓷素坯。

在干压成型过程中，粘结剂主要起粘合作用，增大假颗粒粒径，增加颗粒强度。若添加不当，那么干压成型时将很难获得高致密度的坯体。干法成型粘结剂的选择要考虑以下几个因素：热分解性、易压碎性、强度、脱模性，以及粉体种类。在保证以上几点均符合要求的前提下，粘结剂最好选择无灰分残留的水系粘结剂，这样更加安全环保。

-成型-注射成型

陶瓷注射成型技术是一种精密陶瓷材料的快速成型技术，其特点是：适于制备体积小、形状复杂、尺寸精度要求高的陶瓷零件，能够实现自动化连续生产。该技术的生产过程包括如下几个主要步骤：混料、注射、脱脂和烧结。其中，粘结剂和脱脂工艺是该技术的核心。

粘结剂在整个陶瓷注射成型技术工艺中有两个基本作用：与陶瓷粉末均匀混合，使其在一定温度和注射压力下具有良好的流动性，能够顺利完成注射成型；在脱脂阶段，一方面能够通过一定的脱脂工艺快速、顺利地从陶瓷注射样品中脱除，另一方面又要维持样品完好的形状。

-成型-挤压成型

挤压成型也称挤出成型或挤制成型，该工艺是将陶瓷粉与可提供塑性的黏土或有机黏结剂与水一起混合和反复混炼，并通过真空除气和陈腐等工艺环节使待挤出的坯料获得良好的塑性和均匀性，然后在挤出螺旋或柱塞的作用下，通过挤压机嘴处的模具挤出得到所需形状的产品。

制备挤压浆料的基本要求是：含有尽量少的粘结剂以保证最小的烧结收缩，具有良好的流变性以利于成型，同时必须保证坯体在挤出后具有保持一定形状的能力。因此对粘结剂选择时，需要留意其分解性、保水性、湿润性、保形性，确保陶瓷坯体的柔软性、强度和湿润度能够符合要求。

-成型-流延成型

流延成型在前文已经介绍，这里不再赘述。粘结剂作为流延带中唯一的连续相，它对流延带的强度、可塑性、柔韧性、平滑度具有最大的影响。

-成型-热压铸成型

热压铸成型是利用石蜡受热熔化和遇冷凝固的特点，将无可塑性的瘠性陶瓷粉料与热石蜡液均匀混合形成可流动的浆料，在一定压力下注入金属模具中成型，冷却待蜡浆凝固后脱模取出成型好的坯体。坯体经适当修整，埋入吸附剂中加热进行脱蜡处理，最后经烧结成最终制品。

热压铸成型与一般注浆成型法的差别：它并不使用溶剂，而是利用粘结剂—石蜡的高温流变特性，进行压力下的铸造成形，然后经过高温脱蜡和烧结制成陶瓷。

三、烧结助剂

烧结是通过加热使原料粉体产生颗粒粘结、经过物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程。普通陶瓷粉体之所以难于烧结，原因就在于其晶格能较高、晶体结构稳定，质点扩散需要较高的活性，即烧结激活能大，因此需要较高的温度。

烧结现象

而烧结助剂的加入可以与原料颗粒形成低温液相，液相的存在可以促使原子扩散，有利于原料颗粒重排、溶解和析出，降低陶瓷致密化温度。

姚义俊等人研究了氧化钇、氧化镧和氧化钐三种稀土氧化物对氧化铝陶瓷烧结性能和力学性能的影响，发现这些氧化物有助于抑制氧化铝晶粒的生长，细化晶粒，使得晶粒尺寸更加均匀并形成致密的结构。

四、其他助剂

（1）润滑剂

陶瓷润滑剂通常用于粉料的半干压、干压成型和可塑性粉料的挤压成型，以提高粉料和可塑性粉料的润滑能力，减少粉料的内摩擦及粉料与磨具间的摩擦，便于脱模和提高坯体表面的光滑程度，提高粉料颗粒的流动性及压制和挤压坯体的密度及密度分布。润滑剂也可以同时起到增塑剂和助压剂的作用。陶瓷生产应用的润滑剂主要有金属皂类、长链脂肪酸酯或酰胺类、矿物油改性类、聚酯和聚酰胺类。 

（2）增塑剂

增塑剂一般用来溶解有机粘结剂和湿润坯料颗粒，在颗粒之间形成液态间层，提高坯料的可塑性。常用的增塑剂多数为有机的醇类或脂类。轧膜成型所用增塑剂的作用是：插入高分子化合物链节之间，减弱相互之间的吸引力，使粘结剂受力变形后，不致出现弹性收缩和破裂，从而提高坯料的可塑性。 

在陶瓷注射成型、挤压成型和流延成型的过程中均需要加入一定量的增塑剂，常用的塑性剂有聚乙二醇、邻苯二甲酸脂、乙二醇等。

参考资料

[1] Cr₂O₃-Y₂O₃-MgO三元烧结助剂对99氧化铝陶瓷微波介电及绝缘性能的影响，李鹏飞

[2] 不同粘结剂与烧结温度对Al₂O₃陶瓷力学性能和显微结构的影响，曹宇

[3] 干压成型制备氧化铝多孔支撑体影响因素的研究，徐小静

[4] 氧化铝粉末的球磨工艺及其烧结性能研究，刘琼

[5] 有机分散剂对球形氧化铝前驱体形貌的影响，徐晓娟

[6] 粘结剂对热压铸成型用氧化铝喂料的影响，武振飞

[7] 注凝成型制备氧化锆增韧氧化铝陶瓷，张超

[8] 胶粘剂的六大粘合机理以及影响粘接强度的物理化学因素 ，周工解涂

[9] 十大结构陶瓷成型工艺最全总结，机械学霸

[10] 陶瓷成型粘接剂与润滑剂，天诗蜡粉

[11] 陶瓷生产应用的润滑剂，大热汇

[12] 陶瓷分散剂——材料界的分手大师，让团聚的粒子说拜拜，粉体网

粉体圈Carrot整理