陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝是將低粘度、高固相體積分?jǐn)?shù)的水基陶瓷濃懸浮體注射到非孔模具中，并使之原位快速固化，再經(jīng)燒結(jié)，制得顯微結(jié)構(gòu)均勻、無(wú)缺陷和近凈尺寸的高性能、高可靠性的陶瓷部件，并大大降低陶瓷制造成本。經(jīng)過(guò)近十多年的研究攻關(guān)，陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝取得重大的成果，制備的陶瓷材料與制品的性能達(dá)到：坯體密度均勻（密度分布差小于0．5％）、坯體強(qiáng)度高（抗彎強(qiáng)度在20～30MPa）、易于加工；燒結(jié)后產(chǎn)品性能優(yōu)異：氮化硅基陶瓷產(chǎn)品性能，抗彎強(qiáng)度大于900MPa，韋伯爾模數(shù)m穩(wěn)定在20以上，最高可達(dá)到33；氧化鋁基陶瓷抗彎強(qiáng)度700MPa，韋伯爾模數(shù)m大于15（從部件上取樣的試件）。同時(shí)使陶瓷的制造成本降低一半，可靠性提高一倍以上。
高技術(shù)陶瓷產(chǎn)業(yè)化的核心技術(shù)
目前高性能陶瓷的應(yīng)用面臨的兩大問(wèn)題是陶瓷的制造成本高和使用性能的可靠性差。由于陶瓷的制造成本高，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的價(jià)格高，無(wú)法與金屬及其復(fù)合材料競(jìng)爭(zhēng)，因此目前只能用于一些特殊領(lǐng)域。其中陶瓷機(jī)加工的成本幾乎占到陶瓷制造成本的1／3－2／3，主要是因?yàn)樘沾刹考某尚秃茈y達(dá)到近凈尺寸成型。另外，陶瓷材料的性能分散性大，即陶瓷材料的可靠性差，使許多領(lǐng)域不敢涉足陶瓷產(chǎn)品。如果上述兩個(gè)問(wèn)題不解決，高性能陶瓷的市場(chǎng)就很難打開(kāi)局面。
回顧上世紀(jì)七十年代末，全世界范圍內(nèi)石油能源危機(jī)的出現(xiàn)，高性能陶瓷以其優(yōu)異的耐高溫、高強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕等性能，而被作為發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的候選材料，同時(shí)陶瓷的成型工藝成為重要的研究課題。以美國(guó)、日本等為首的發(fā)達(dá)國(guó)家，紛紛制定了在熱機(jī)。尤其是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料的國(guó)家發(fā)展計(jì)劃。我國(guó)“七五”和“八五”期間圍繞著陶瓷絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，深入研究了陶瓷注射成型、擠制成型、注漿及壓濾成型等工藝，并且制備出了較高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)部件樣品。根據(jù)國(guó)外的某些權(quán)威研究機(jī)構(gòu)和有關(guān)研究室的報(bào)告，評(píng)價(jià)了日本在結(jié)構(gòu)陶瓷研究之所以領(lǐng)先于美國(guó)并迅速地處于世界領(lǐng)先地位的主要原因之一在于陶瓷成型技術(shù)。二十多年過(guò)去了，成型工藝作為制備高性能陶瓷材料及部件的關(guān)鍵技術(shù)，它不僅是材料設(shè)計(jì)和材料配方實(shí)現(xiàn)的前提，而且是降低陶瓷制造成本，提高材料可靠性尤為重要的環(huán)節(jié)。
九十年代以來(lái)，國(guó)際上圍繞成型的基礎(chǔ)理論和技術(shù)開(kāi)展了廣泛的研究，新的成型技術(shù)不斷涌現(xiàn)。我國(guó)在“九五”期間，為了促進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷研究成果的推廣和應(yīng)用，在863計(jì)劃中把成型技術(shù)列為結(jié)構(gòu)陶瓷的關(guān)鍵技術(shù)。黃勇教授課題組承擔(dān)了這個(gè)課題的研究，并獲得“膠態(tài)注射成型新工藝”這一重大的成果。膠態(tài)注射成型技術(shù)，不僅可以顯著降低陶瓷材料的制造成本，而且可以提高陶瓷材料的可靠性。通過(guò)這種成型技術(shù)，可以獲得高密度、高均勻性和高強(qiáng)度的陶瓷坯體，這種成型技術(shù)可以消除陶瓷粉體顆粒的團(tuán)聚體，減少燒結(jié)過(guò)程中復(fù)雜形狀部件的變形、開(kāi)裂，從而減少最終部件的機(jī)加工量，獲得高可靠性的陶瓷材料與部件。它是一種新的近凈尺寸成型技術(shù)，適合于規(guī)�；a(chǎn)，是高技術(shù)陶瓷產(chǎn)業(yè)化的核心技術(shù)。
艱苦的歷程
豐碩的成果
高技術(shù)陶瓷由于硬度高質(zhì)脆，不像金屬那樣可以加工成各種各樣的形狀，因此近凈尺寸的成型技術(shù)便成為重要的研究課題和產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)。
傳統(tǒng)的陶瓷注射成型技術(shù)來(lái)源于高分子材料的注塑成型，將大量的高分子粘結(jié)劑與陶瓷粉體混練在一起，然后通過(guò)注射成型機(jī)制備各種復(fù)雜形狀的陶瓷零部件。在20世紀(jì)80年代該技術(shù)在全球范圍內(nèi)掀起了高技術(shù)陶瓷產(chǎn)業(yè)化的熱潮，但是由于含有大量的高分子粘結(jié)劑，使陶瓷坯體的脫脂成為不可逾越的難題，直到目前為止注射成型的脫脂難題仍未得到解決，嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。但是，由于其成型坯體尺寸精度高，易于規(guī)�；妥詣�(dòng)化程度生產(chǎn)，仍然對(duì)陶瓷產(chǎn)業(yè)界和研究機(jī)構(gòu)具有巨大的吸引力。
為了避開(kāi)陶瓷注射成型技術(shù)使用大量高分子粘結(jié)劑的缺點(diǎn)，九十年代后陶瓷成型技術(shù)的研究逐漸轉(zhuǎn)向含有少量有機(jī)物的水基膠態(tài)成型技術(shù)的研究，新的成型技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如美國(guó)橡樹(shù)里國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的凝膠注模成型工藝、瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)發(fā)明的直接凝固注模成型技術(shù)等等�？傊�，九十年代在非塑性水基漿料的膠態(tài)成型方面取得了很大進(jìn)展。
課題組先后就陶瓷的注射成型、壓濾成型、電泳沉積成型、凝膠注模成型、直接凝固注模成型等技術(shù)進(jìn)行了大量卓有成效的研究，并且與國(guó)際上的研究機(jī)構(gòu)建立了廣泛的聯(lián)系。在九五初期，大膽創(chuàng)新提出把膠態(tài)成型和注射成型結(jié)合起來(lái)的“陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝”，即水基非塑性漿料的注射成型。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，陶瓷非塑性水基漿料無(wú)法實(shí)現(xiàn)注射成型。研究人員在研究中對(duì)遇到的諸多關(guān)鍵技術(shù)也久經(jīng)攻克難以突破。然而，在困難面前并沒(méi)有退縮，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證認(rèn)為，只要找到一種使流體快速固化為固體的控制條件，水基非塑性漿料的注射成型完全是有可能的。通過(guò)五年的艱苦奮斗，研究人員經(jīng)常吃住在實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)歷多少不眠之夜，并在863新材料領(lǐng)域?qū)＜医M的積極支持和鼓勵(lì)下，終于突破了陶瓷膠態(tài)注射成型的諸多關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)造性地發(fā)明了陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝及裝備并研制成功國(guó)際上第一臺(tái)水基料漿膠態(tài)注射成型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了陶瓷水基非塑性漿料的注射成型。這是陶瓷制備技術(shù)的重大突破，是陶瓷成型工藝的一場(chǎng)革命。該成果屬于國(guó)際首創(chuàng)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。查新檢索證明，目前國(guó)際上尚無(wú)相同工藝研究?jī)?nèi)容的報(bào)道。這一科技成果具有原創(chuàng)性。陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝是一種較為理想的凈近尺寸成型技術(shù)，避免了傳統(tǒng)陶瓷注射成型使用大量有機(jī)物所導(dǎo)致的排膠困難，實(shí)現(xiàn)了膠態(tài)成型的注射過(guò)程。
陶瓷膠態(tài)注射成型必須解決以下兩個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)：陶瓷濃懸浮體的快速原位固化和注射過(guò)程的可控性。通俗而言即漿料在注射之前不能固化，流動(dòng)性和穩(wěn)定性良好，注射充模之后要實(shí)現(xiàn)快速原位固化，其關(guān)鍵之點(diǎn)是要能夠找到一個(gè)外界的可控因素，如壓力、溫度、電磁波等，通常采用的是溫度誘發(fā)料漿固化。重大的科學(xué)發(fā)明常常是在科學(xué)實(shí)踐中的偶然發(fā)現(xiàn)的。課題組在調(diào)試膠態(tài)注射成型機(jī)時(shí)，為尋找如何通過(guò)注射壓力和充模排氣的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)注射壓力對(duì)料漿固化非常敏感引起大家的注意。進(jìn)一步試驗(yàn)又發(fā)現(xiàn)常溫下料漿也能快速固化。因此發(fā)明了壓力誘導(dǎo)陶瓷膠態(tài)注射成型技術(shù)，這一技術(shù)不僅克服了溫度固化帶來(lái)的料漿中溫場(chǎng)不均造成固化坯體微觀結(jié)構(gòu)不均勻性以及注射成型機(jī)的復(fù)雜控制系統(tǒng)，而且具有普適性。這一原創(chuàng)性的重大發(fā)現(xiàn)為該技術(shù)走向規(guī)�；a(chǎn)和商品化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
同時(shí)，我們進(jìn)一步擴(kuò)大研究成果，研制成功水基快速凝固膠態(tài)流延成型新工藝及設(shè)備，實(shí)現(xiàn)低成本水基快速流延成型；在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)粗顆粒體系氮化硅結(jié)合碳化硅高級(jí)耐火材料的快速凝固成型，得到美國(guó)CARBORUNDUM認(rèn)可和贊賞；發(fā)明了無(wú)毒體系酶催化明膠原位凝固和褐藻酸鈉的凝膠注模成型工藝。在研究中，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與國(guó)際間的學(xué)術(shù)交流和合作，提出溫控原位固化理論、常溫壓力誘導(dǎo)固化理論等。國(guó)際上首次揭示了陶瓷濃懸浮體失穩(wěn)過(guò)程中裂紋形成機(jī)理、產(chǎn)生原因和避免方法，建立延遲時(shí)間、離子濃度和凝膠強(qiáng)度對(duì)坯體顯微結(jié)構(gòu)影響的理論模型。這些理論成果為膠態(tài)注射成型技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
技術(shù)應(yīng)用與展望
為了檢驗(yàn)陶瓷膠態(tài)注射成型技術(shù)新工藝的創(chuàng)新性和先進(jìn)性，以及它是否可以促使高技術(shù)陶瓷實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，必須選擇典型產(chǎn)品進(jìn)行中試。研究人員進(jìn)行了全國(guó)的市場(chǎng)調(diào)查，選擇有市場(chǎng)前景而且制造難度大的若干產(chǎn)品。為了加快中試的速度和解決試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的不足，自籌資金建成300平方米的中試生產(chǎn)線。重點(diǎn)進(jìn)行造紙機(jī)全陶瓷脫水元件、高功率金紅石陶瓷電容器、雙螺旋除砂嘴、臭氧發(fā)生器用陶瓷薄壁管及雙螺旋混練機(jī)全陶瓷內(nèi)襯等產(chǎn)品的中試，試驗(yàn)證明采用陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、合格率高，已具備產(chǎn)業(yè)化條件。
高技術(shù)陶瓷材料被譽(yù)為二十一世紀(jì)的新材料，它在信息、能源、汽車、紡織、化工、航天、石油、造紙、機(jī)械、海洋等金屬材料和高分子材料無(wú)法勝任的諸多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，起到積極的促進(jìn)作用。
人類的歷史已證明材料的進(jìn)步是人類社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類進(jìn)步的里程碑，然而材料的進(jìn)步是以技術(shù)為先導(dǎo)。陶瓷膠態(tài)注射成型可以使陶瓷材料的可靠性提高和制造成本高大幅度降低，高技術(shù)陶瓷材料的廣泛應(yīng)用指日可待。當(dāng)然，也必須認(rèn)識(shí)到陶瓷膠態(tài)注射成型工藝及其技術(shù)裝備的推廣和規(guī)模應(yīng)用剛剛開(kāi)始，任重而道遠(yuǎn)，尚需國(guó)家、企業(yè)界、投資界有識(shí)之士共同合作，共創(chuàng)我國(guó)高技術(shù)陶瓷事業(yè)的輝煌，使我國(guó)的陶瓷事業(yè)趕超發(fā)達(dá)國(guó)家，再次名揚(yáng)世界。
我國(guó)的陶瓷具有悠久的歷史，它制作精巧，晶瑩雅致，馳名中外。我國(guó)陶瓷發(fā)展的歷史，記錄了中華民族的文明史。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及科學(xué)研究工作的深入，使古老的陶瓷賦予高性能的內(nèi)涵，發(fā)展成為現(xiàn)代的高技術(shù)陶瓷，它具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，以及在電、磁、熱、光、聲、化學(xué)、生物等方面魔幻般的卓越功能，成為高新技術(shù)和重大工程中的關(guān)鍵材料。但是采用傳統(tǒng)陶瓷制備工藝和裝備很難獲得顯微結(jié)構(gòu)均勻、無(wú)缺陷和近凈尺寸陶瓷部件。加之高技術(shù)陶瓷特別是結(jié)構(gòu)陶瓷又硬又脆既難加工又容易產(chǎn)生突發(fā)性的斷裂，因而導(dǎo)致高技術(shù)陶瓷的制造成本高、性能離散性大、產(chǎn)品生產(chǎn)再現(xiàn)性和使用性能可靠性差等。為了實(shí)現(xiàn)高技術(shù)陶瓷產(chǎn)業(yè)化，黃勇教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組提出了一種全新的高技術(shù)陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝。
黃勇，清華大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。1962年畢業(yè)于清華大學(xué)并留校，1986年至1987年為美國(guó)密西根大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，1992年11月至1993年3月美國(guó)麻省理工學(xué)院高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者、研究科學(xué)家，1996年6月至8月為瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院客座教授，2000年6月至7月在澳大利亞墨爾本Monash大學(xué)材料系講學(xué)與合作研究�，F(xiàn)任清華大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院常務(wù)副院長(zhǎng)、新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任、中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)特陶分會(huì)理事長(zhǎng)、第六、七屆國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)學(xué)科評(píng)審組成員、硅酸鹽學(xué)報(bào)副主編等。長(zhǎng)期從事無(wú)機(jī)非金屬材料的教學(xué)與科研工作，在先進(jìn)陶瓷的組成、結(jié)構(gòu)與性能以及高技術(shù)陶瓷的制備科學(xué)、陶瓷的強(qiáng)化與韌化機(jī)理等方面有精深的研究。
高技術(shù)陶瓷特別是結(jié)構(gòu)陶瓷又硬又脆既難加工又容易產(chǎn)生突發(fā)性的斷裂，因而導(dǎo)致高技術(shù)陶瓷的制造成本高、性能離散性大、產(chǎn)品生產(chǎn)再現(xiàn)性和使用性能可靠性差等，所以許多成果很難轉(zhuǎn)化為規(guī)�；a(chǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)高技術(shù)陶瓷產(chǎn)業(yè)化，黃勇教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組提出一種全新的高技術(shù)陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝，將低粘度、高固相體積分?jǐn)?shù)的水基陶瓷濃懸浮體注射到非孔模具中，并使之原位快速固化，再經(jīng)燒結(jié)，制得顯微結(jié)構(gòu)均勻、無(wú)缺陷和近凈尺寸的高性能、高可靠性的陶瓷部件，并大大降低陶瓷制造成本。
該研究得到國(guó)家高技術(shù)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和教育部學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)基金的立項(xiàng)資助。經(jīng)過(guò)近十多年的研究攻關(guān)，陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝取得重大的成果，成果申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利13項(xiàng)（已授權(quán)2項(xiàng)）、實(shí)用新型專利2項(xiàng)（均已授權(quán)），截至到2000年7月為止，在國(guó)內(nèi)外刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇。2000年10月通過(guò)了教育部組織的八項(xiàng)系列成果鑒定，“陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝”達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，“陶瓷膠態(tài)注射成型機(jī)”為國(guó)際首創(chuàng)，其余六項(xiàng)成果均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
高技術(shù)陶瓷：是以精制高純?nèi)斯ず铣傻臒o(wú)機(jī)化合物為原料，采用精密控制工藝燒結(jié)而制得的。廣義的高技術(shù)陶瓷與無(wú)機(jī)非金屬材料含義等同包括人工晶體、非晶態(tài)、陶瓷、及其復(fù)合材料、半導(dǎo)體、耐火材料、水泥等。
傳統(tǒng)陶瓷：一般包括日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、美術(shù)陶瓷等，它是以天然無(wú)機(jī)物如粘土燒制而成的。
陶瓷膠態(tài)成型：將陶瓷粉體均勻分散在有機(jī)溶劑或水介質(zhì)中，加入固化劑和添加劑制成高固相含量、低粘度的陶瓷濃懸浮體，經(jīng)人工注入非孔模具中，依靠溫度誘發(fā)固化劑化學(xué)反應(yīng)或聚合使料漿固化成型。
陶瓷注射成型：將粉料與有機(jī)粘結(jié)劑混合，經(jīng)加熱混練制成混合料。將混合料裝入注射機(jī)，在一定溫度下混合料具有一定流動(dòng)性，靠注射壓力注入金屬模具。冷卻后粘結(jié)劑固化而成型。
陶瓷膠態(tài)注射成型（ColloidalInjectionMouldingofCeramics，簡(jiǎn)稱為CIMC）：具有膠態(tài)成型和注射成型綜合優(yōu)點(diǎn)，通俗而言是指水基非塑性漿料的注射成型。
