先进陶瓷如钇铝石榴石(YAG)、氧化锆(ZrO₂)、碳化硅(SiC)等，因其独特的光学、电学、力学、热学及生物化学性能被广泛应用在激光、5G 通信、航天、新能源、生物医学等众多战略领域，而在陶瓷的制备过程中，陶瓷成型技术决定了其初始密度、收缩形变、内部缺陷及其应用性能。随着近年迅速发展的新能源电池、电子通讯、生物医疗等众多领域对精密结构、极限尺寸的陶瓷零部件需求迫切，传统的陶瓷成型技术无论在成型质量，还是在成型精密度等方面都不能满足陶瓷在高端应用领域的要求，因此成型技术的创新发展也是势在必行。

各类高精密陶瓷

随着环境保护、清洁生产成为发展趋势，水系胶态成型技术成为近年来发展较快的成型手段之一。水系胶态成型是以水为溶剂，采用物理、化学或物理化学方法使具有一定流动性的悬浮体料浆固化为结构均匀坯体的方法。

该技术的主要优点有：

（1）水作为溶剂：相较于有机溶剂，无毒、无污染、低成本，符合环保要求；

（2）净近成型各种高精度、复杂结构的陶瓷零部件：烧结后陶瓷收缩率小，几乎无需后续加工，可以提高产品生产效率，降低成本；

（3）工艺简单、实用性强：该技术易重复、自动化与连续化程度高，易于产业化。

水系胶态成型技术的类型

目前，典型的水系胶态成型方法主要包括凝胶注模成型(Gel-casting)、水系流延成型(Aqueous Tape casting)、凝胶流延成型(Gel-tape casting)等，不同成型方式在不同应用领域得到关注，目前在生物医疗、电子通讯、汽车以及生活生产等方面都有着广泛的应用。

以成型原理看，凝胶注模成型技术与凝胶流延成型技术是粉体分散在含交联剂与有机单体的水溶液中原位固化成型，而水系流延成型技术是粘结剂包裹粉体通过长链缠绕形成网状结构。

以成型方式看，凝胶流延成型是将流延成型方法与单体固化反应相结合的成型方法，其与普通流延成型均属于复合叠层法；而凝胶注模成型技术属于直接成型法。

1. 凝胶注模成型

凝胶注模是指将陶瓷粉体分散于含有有机单体、分散剂、引发剂及催化剂的水溶液，注入模具，在一定温度下单体发生原位聚合反应，形成具有一定机械强度素坯的成型方式。

凝胶注模成型原理图

相比于其他成型技术，凝胶注模是一种普适工艺，适用于AlON、SiC、AlN、YAG 等各种功能与结构陶瓷，能够近净尺寸成型各种复杂结构的陶瓷零件以及具有极限尺寸的棒状或片状陶瓷等。

凝胶注模成型的特点是成型后坯体质量高、结构均匀、不易出现密度阶梯分布等问题，且有机物含量低，其干燥、排胶过程也相对容易，烧结后的部件纯净度高；其最突出的优点是成型后的坯体强度较高，素坯能被直接进行机械加工，进一步实现陶瓷零件的净尺寸精密成型，这是其他成型技术难以实现的。此外，对模具要求不高，玻璃、塑料、金属和蜡等均可作为模具。

凝胶注模成型工艺流程

目前在工业生产中，主要采用丙烯酰胺(AM)作为凝胶体系。虽然AM体系工艺较为成熟，且制得的陶瓷质量及性能较为优异，但AM有机单体具有一定毒性，因此目前研究人员致力于研究低毒或无毒凝胶体系，目前还未有成熟的配方体系用在工业生产。与此同时，凝胶注模在成型各类复杂形状的陶瓷方面占有优势，然而，在制备超薄片状陶瓷方面稍显不足，需要后期打磨抛光。

2.水系流延成型

水系流延成型技术是将粉体分散于含有分散剂的水溶液中，通过粘结剂分子的长链缠绕作用形成网络结构粘结成型，最终得到具有一定强度及韧性的素坯。

流延成型工艺流程

水系流延成型通过控制刮刀高度可以制备出厚度可控的薄膜素坯，在制备超薄大尺寸陶瓷制品方面具有得天独厚的优势，其无毒性、不易燃、价格低廉，成为流延成型技术未来发展趋势。目前，水系流延成型技术已被应用于多层复合透明陶瓷、固体氧化物燃料电池电解质、电容器基板及其他高技术陶瓷的生产过程中。

流延陶瓷基板

然而，水的极性较大，粉体之间需要大量的粘结剂作用形成长链分子缠绕网络才能粘结成型，通常其有机物含量相较于凝胶注模增长10%以上，且该方法受限于分散剂和粘结剂选择种类较少，面临水溶剂表面张力大、对粉料的浸润性差（易再次絮凝）、产生难除气泡、挥发速率慢及其不一致收缩导致干燥开裂等问题；同时，有机物添加量的增多还会导致坯体易起皮、开裂，排胶后坯体致密度大幅度下降。

3.凝胶流延成型

针对水系流延成型存在的问题，研究者提出了将有机单体的聚合原理引入到流延技术中，发明了凝胶流延成型技术，该方法结合了水系和有机流延的特点，在一定温度和保护气氛下在极短时间内固化，极大地降低了浆料量中有机物的使用量，可提高了素坯密度，进而获得近乎无干燥收缩、高质量（表面平整光滑、强度高、韧性好）的陶瓷薄片素坯。

凝胶流延成型工艺流程

水系凝胶流延技术制得的陶瓷薄片致密度高，气孔率低，成型尺寸大，而且光电性能较好，非常适用于固体电解质薄膜及高强度高密度的陶瓷基板材料的成型。目前已采用此成型技术成功制备出Al₂O₃、Si₃N₄、PTZ、YSZ等薄片陶瓷。与水系流延成型技术相比，该方法得到的陶瓷制品在性能及微结构方面均有了较高的提升。

水系胶态成型技术的不足

水系胶态成型技术与传统的有机湿法成型技术相比，其不仅能够制备出各种近净尺寸的复杂形状、极限尺寸、复合结构的陶瓷制品，且对于成型的陶瓷种类基本没有限制，发展前景广阔。

然而目前仍存在一些关键技术难题尚未得到解决，主要有以下几点：

（1）需要低粘度、高固含量且分散性良好的陶瓷浆料

在胶态成型中，浆料的流变性能直接决定坯体成型质量，均一稳定且具有低粘度的假塑性流体是获得高质量坯体的关键，高固含量则决定着陶瓷制品的密度，但是固含量的增加会显著提高浆料粘度。

（2）适当添加剂的选择

粘结剂与增塑剂的种类及其相对添加量会对素坯成型质量造成显著影响，但大多数有机添加剂微溶或难溶于水，且大量有机添加剂的使用会导致素坯在排胶过程中产生开裂等缺陷；因此，在保持坯体一定强度和初始密度的前提下，选择合适的水溶性添加剂并减少其使用量仍需不断研究。

（3）干燥过程中的缺陷控制

素坯干燥是高技术陶瓷水系胶态成型工艺中最难以控制的工序，由于水是极性分子，干燥周期较长，干燥速度难以控制，易出现坯体开裂、卷曲以及粉体颗粒与水分分离导致的脱皮等状况。

水系胶态成型技术在新兴产业领域的应用

1.多层复合结构陶瓷

多层复合陶瓷包括陶瓷-陶瓷复合、陶瓷-金属复合、陶瓷-聚脂薄片复合、金属-陶瓷-金属复合等类型，这些复合材料均属于宏观上的层状复合材料，即层与层之间存在明显界面且各层之间发生物理性能突变的层状复合材料。

采用胶态成型技术，特别是流延成型技术相较于采用干压法制备的陶瓷层间结构粘合性更好，再结合冷等静压技术，层与层之间几乎无明显界面，在多层复合陶瓷领域被广泛应用，例如光功能陶瓷应用领域。

多层复合金属化陶瓷

2.燃料电池

燃料电池的电解质支撑层通常由超薄层状陶瓷组成，电解质支撑层作为氧化剂与还原剂的隔板，用来传导离子，因此越薄越好，且应兼顾强度。传统的干压成型技术制备的陶瓷厚度较大，须经后期的打磨加工才能制备出超薄尺寸，生产效率低，且过度打磨会导致陶瓷薄片强度降低。相比之下，采用胶态成型制备技术能够避免后续打磨工序直接制备出超薄电解质层，使燃料电池的性能得到提高。

燃料电池结构示意图

3.人造牙齿、骨关节等生物陶瓷

生物陶瓷以其较高的生物相容性，常被用在牙科、骨科等医学领域，然而牙齿、骨骼形状复杂，使用传统的陶瓷成型方法需后期再加工，制备工艺繁琐，且难以满足目前日益发展的陶瓷牙齿、骨骼医学需求标准。采用凝胶注模成型基于有机单体聚合原位固化原理，相比于其他工作原理成型的陶瓷机械强度更高、弹性模量小、韧性较好，更适用于生物陶瓷坯体成型。

与此同时，在生物陶瓷应用上，水系胶态成型技术还可以与3D打印完美结合，获表面光滑、外形及内部结构精细、复杂性能优异的生物陶瓷部件，在人造牙齿、骨骼、骨支架等生物替代陶瓷领域有巨大的应用潜力，发展前景十分可观。

陶瓷牙齿

总结

水系胶态成型技术具有清洁环保、可复杂精密成型等显著优势，开展系统研究和产业化应用具有十分重要的意义，但目前在产业应用上仍有一些技术瓶颈尚未被彻底攻克，例如，陶瓷成型模具及设备的精密化和自动化水平需要进一步完善；水系胶态成型技术在制备多维度、复杂结构陶瓷中仍存在不足。随着国家和研究人员投入的加大，我国的陶瓷水系成型技术中必将取得重大突破，采用该技术制备的高技术陶瓷必将在军事武器、航空航天、生物医疗等领域广泛应用。

参考来源：

1. 高技术陶瓷胶态成型技术及其产业应用，郗晓倩、张乐、姚庆、袁明星、刘明源、邵岑、陈浩（江苏师范大学物理与电子工程学院、江苏省先进激光材料与器件重点实验室、江苏锡沂高新材料产业技术研究院、南通大学机械工程学院）；

2. 陶瓷粉体新型胶态成型方法，赵九蓬、韩杰才、杜善义（功能材料）；

3. 先进陶瓷胶态成型新工艺的研究进展，黄勇、张立明、杨金龙、谢志鹏、汪长安、陈瑞峰（硅酸盐学报）。

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