中國(guó)粉體網(wǎng)訊 氮化硅（Si3N4）陶瓷作為性能優(yōu)異的陶瓷材料，具有出色的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和透波性能，能同時(shí)滿足多種工作環(huán)境對(duì)材料結(jié)構(gòu)和功能上的要求，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和很大的市場(chǎng)前景。片狀陶瓷由于其厚度小，不僅可以滿足產(chǎn)品集成化減小體積的要求，還有著散熱和透波性能的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在基板材料、多層陶瓷組件、多層陶瓷電容器、固態(tài)氧化物燃料電池、功能梯度陶瓷、織構(gòu)化陶瓷等領(lǐng)域。
氮化硅陶瓷基板，來(lái)源：東芝材料
但片狀氮化硅陶瓷一直存在含氧量高，實(shí)際熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于理論熱導(dǎo)率，成品率低等問(wèn)題。氮化硅陶瓷材料的性能如何受陶瓷粉體、添加劑、成型工藝和燒結(jié)工藝等多種因素影響，其中成型工藝是制備陶瓷材料的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。流延成型具有工藝簡(jiǎn)單、可連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)是制備陶瓷薄片常用的成型方法。近年來(lái)，科技工作者圍繞氮化硅流延成型技術(shù)開(kāi)展了大量研究和探索。
片狀氮化硅流延成型三大關(guān)鍵點(diǎn)
流延成型起源于上世紀(jì)四十年代，也叫做刮刀工藝，當(dāng)時(shí)用來(lái)制備作戰(zhàn)所用電容材料，生產(chǎn)的膠片長(zhǎng)度可達(dá)一百米，厚度可達(dá)1μm至3mm。1947年，Howatt 等公開(kāi)報(bào)道流延成型的工藝流程，并將其應(yīng)用于生產(chǎn)電容器電介質(zhì)的薄陶瓷片。這種簡(jiǎn)單高效的成型工藝從公布到現(xiàn)在一直備受關(guān)注，技術(shù)不斷成熟，應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)展。
流延成型工藝流程圖
粉體
根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的特性選擇的原料粉體是流延成型漿料的主要組成部分。粉體主要含有陶瓷粉體，也可包含少量的燒結(jié)助劑，或者其他晶種等作為添加劑。對(duì)于氮化硅流延成型而言，原料粉體主要是高純度的α-Si3N4粉或硅粉，也有加入少量 β-Si3N4粉作為晶種，以提高特定的性能。
粉體顆粒的粒度以及形貌對(duì)流延成型漿料有很大的影響。粉體顆粒的粒度越小，一般來(lái)說(shuō)越容易致密堆積，表面能也越高，有利于燒結(jié)的致密化，但是粒度小的顆粒比表面積就越大，更容易發(fā)生團(tuán)聚，需要的分散劑等添加劑也就越多，不利于流延漿料的制備。研究表明，粉體的粒度在4~1μm且比表面積2~5 m2.g-1的粉體較為適合制備流延漿料。其次，球形或者長(zhǎng)徑比接近1的近球形顆粒制備的漿料具有更好的流動(dòng)性，較為適合制備流延漿料。為了提升特定的性能（如電學(xué)或者熱學(xué)性能），也會(huì)選擇其他形貌的粉體顆粒。
此外，不同方法制備的氮化硅粉體差異較大，即使是相同方法生產(chǎn)的氮化硅粉體，在粒度和形貌上也有較大區(qū)別，這無(wú)疑增加了氮化硅流延漿料制備的難度。為了進(jìn)一步提高漿料的分散性和流變性，可以采用機(jī)械力化學(xué)改性法、表面包覆改性法、表面化學(xué)改性法等對(duì)氮化硅粉體顆粒的表面進(jìn)行改性處理，可以有效減少粉體形成二次粒子，更容易獲得固含量高、流動(dòng)性好的漿料。
流延體系
根據(jù)漿料的溶劑選擇不同，流延成型可分為有機(jī)流延體系和水基流延體系。
有機(jī)流延體系：傳統(tǒng)的流延成型漿料采用的是有機(jī)溶劑，即有機(jī)流延體系，其研究較早應(yīng)用也較為成熟，而新興的水基流延體系則主要使用去離子水作為溶劑。
水基體系：近年來(lái)新興的水基流延體系，以去離子水作為溶劑。去離子水是指應(yīng)用離子交換樹(shù)脂去除陰離子和陽(yáng)離子后的水，旨在減少水中固有的離子對(duì)粉體顆粒的分散效果和流動(dòng)效果的影響。
添加劑
流延成型的漿料中，除了決定產(chǎn)品特征的粉體和作為分散介質(zhì)的溶劑，還需要有分散劑、黏結(jié)劑和增塑劑等添加劑，這些添加劑對(duì)漿料的分散性和穩(wěn)定性以及流延素坯的強(qiáng)度和韌性有著重要影響。
有機(jī)和水基流延體系的常見(jiàn)添加劑
分散劑：流延成型所使用的粉體顆粒很小，需要添加分散劑，用于制約顆粒的團(tuán)聚程度以及團(tuán)聚體的強(qiáng)度。
黏結(jié)劑：它將粉體包裹在其中，并固化形成具有三維立體結(jié)構(gòu)的骨架。其對(duì)流延帶的強(qiáng)度、可塑性、柔韌性、平滑度具有最大的影響。
增塑劑：可以通過(guò)對(duì)粉體顆粒的連接和潤(rùn)滑作用，提高流延漿料的穩(wěn)定性和流動(dòng)性。
新型流延工藝有哪些？
隨著流延成型技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多與流延成型相結(jié)合的新工藝。例如，流延溫壓成型工藝、凝膠流延成型工藝、紫外引發(fā)聚合成型工藝、等靜壓流延成型工藝等。
流延溫壓成型
流延溫壓成型是指流延素坯在干燥剪切后，加一步疊壓，即將多層流延素坯疊壓在一起，在壓力的作用下，使得各層素坯之間通過(guò)黏結(jié)劑的黏性結(jié)合在一起，可以通過(guò)加熱的方式來(lái)增加這一效果。該工藝已應(yīng)用在氮化硅流延成型中，它可以提高流延素坯的密度，也可以拓寬流延成型的應(yīng)用范圍。
等靜壓流延成型
等靜壓流延成型與流延溫壓成型類(lèi)似，即在流延成型的基礎(chǔ)上，對(duì)流延素坯進(jìn)行等靜壓二次成型，以提高材料致密度和機(jī)械性能。葉楓等通過(guò)水基流延成型得到了0.1~0.3mm的氮化硅流延素坯片，并將這些流延片放入模具中堆疊，在 60~80℃下施加50~80MPa 的壓力持續(xù)2min，最后制備了形狀各異的氮化硅陶瓷組件。
凝膠流延成型
凝膠流延成型是指在有機(jī)單體和交聯(lián)劑的混合溶液中加入分散劑、增塑劑和粉體，均勻混合后加入引發(fā)劑和催化劑，然后經(jīng)過(guò)流延設(shè)備流延，最后通過(guò)控制溫度并引發(fā)單體聚合發(fā)生原位凝固，該方法可以提高漿料的固含量，得到的素坯密度高，并且省略了單一流延成型后續(xù)的干燥和排膠過(guò)程。
紫外引發(fā)聚合成型
紫外引發(fā)聚合成型是指在原有的流延成型漿料中加入紫外光敏單體和紫外光聚合引發(fā)劑，經(jīng)過(guò)流延成型后，引入紫外光源就可以使?jié){料原位固化成型，該方法不需要經(jīng)過(guò)干燥就可以得到素坯，大大減少了素坯的缺陷。
氮化硅流延成型技術(shù)未來(lái)發(fā)展的方向
隨著科技的進(jìn)步和新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，片狀氮化硅陶瓷作為一種綜合性能優(yōu)異的材料將在新能源汽車(chē)、5G通信、智能穿戴等領(lǐng)域有著巨大前景，而流延成型作為一種低成本可連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)的方法，將助力氮化硅陶瓷在這些領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。
針對(duì)現(xiàn)階段氮化硅流延成型技術(shù)存在的問(wèn)題，其未來(lái)的發(fā)展有以下幾個(gè)方向：
1）高性能氮化硅粉體的一致性制備。陶瓷原料粉體的性能一致性是決定陶瓷制品質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，隨著科技發(fā)展，新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)ζ瑺畹杼沾稍诹W(xué)性能、熱學(xué)性能、介電性能等方面均提出了較高的要求，這就需要性能穩(wěn)定且適合流延成型的氮化硅粉體。
2）研究更優(yōu)的分散劑、黏結(jié)劑、塑化劑、燒結(jié)助劑等各類(lèi)添加劑，進(jìn)一步提高氮化硅流延成型技術(shù)的成熟度、獲得性能更佳的氮化硅素坯，促使氮化硅陶瓷更容易燒結(jié)致密化、獲得性能更優(yōu)的片狀氮化硅陶瓷。
3）對(duì)于氮化硅的有機(jī)流延體系，尋找低毒或無(wú)毒的溶劑，以減少安全問(wèn)題和污染問(wèn)題；對(duì)于氮化硅的水基流延體系，尋找合適的添加劑，以解決其存在漿料中粉體顆粒分散效果差氣泡多、流延膜干燥時(shí)溶劑蒸發(fā)慢、流延素坯易出現(xiàn)裂紋等問(wèn)題。
4）將流延成型與其他技術(shù)相結(jié)合，以彌補(bǔ)流延成型的不足并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。
來(lái)源：
謝雨洲：流延成型技術(shù)的研究進(jìn)展
趙辰嘯等：流延成型技術(shù)制備片狀氮化硅陶瓷研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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