中國粉體網訊 氮化硅（Si3N4）陶瓷作為性能優(yōu)異的陶瓷材料，具有出色的力學性能、導熱性能和透波性能，能同時滿足多種工作環(huán)境對材料結構和功能上的要求，具有很強的競爭力和很大的市場前景。片狀陶瓷由于其厚度小，不僅可以滿足產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，已經廣泛應用在基板材料、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、織構化陶瓷等領域。
氮化硅陶瓷基板，來源：東芝材料
但片狀氮化硅陶瓷一直存在含氧量高，實際熱導率遠低于理論熱導率，成品率低等問題。氮化硅陶瓷材料的性能如何受陶瓷粉體、添加劑、成型工藝和燒結工藝等多種因素影響，其中成型工藝是制備陶瓷材料的關鍵環(huán)節(jié)。流延成型具有工藝簡單、可連續(xù)生產的特點是制備陶瓷薄片常用的成型方法。近年來，科技工作者圍繞氮化硅流延成型技術開展了大量研究和探索。
片狀氮化硅流延成型三大關鍵點
流延成型起源于上世紀四十年代，也叫做刮刀工藝，當時用來制備作戰(zhàn)所用電容材料，生產的膠片長度可達一百米，厚度可達1μm至3mm。1947年，Howatt 等公開報道流延成型的工藝流程，并將其應用于生產電容器電介質的薄陶瓷片。這種簡單高效的成型工藝從公布到現在一直備受關注，技術不斷成熟，應用領域逐步擴展。
流延成型工藝流程圖
粉體
根據目標產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助劑，或者其他晶種等作為添加劑。對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流延成型漿料有很大的影響。粉體顆粒的粒度越小，一般來說越容易致密堆積，表面能也越高，有利于燒結的致密化，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，球形或者長徑比接近1的近球形顆粒制備的漿料具有更好的流動性，較為適合制備流延漿料。為了提升特定的性能（如電學或者熱學性能），也會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的氮化硅粉體，在粒度和形貌上也有較大區(qū)別，這無疑增加了氮化硅流延漿料制備的難度。為了進一步提高漿料的分散性和流變性，可以采用機械力化學改性法、表面包覆改性法、表面化學改性法等對氮化硅粉體顆粒的表面進行改性處理，可以有效減少粉體形成二次粒子，更容易獲得固含量高、流動性好的漿料。
流延體系
根據漿料的溶劑選擇不同，流延成型可分為有機流延體系和水基流延體系。
有機流延體系：傳統(tǒng)的流延成型漿料采用的是有機溶劑，即有機流延體系，其研究較早應用也較為成熟，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。去離子水是指應用離子交換樹脂去除陰離子和陽離子后的水，旨在減少水中固有的離子對粉體顆粒的分散效果和流動效果的影響。
添加劑
流延成型的漿料中，除了決定產品特征的粉體和作為分散介質的溶劑，還需要有分散劑、黏結劑和增塑劑等添加劑，這些添加劑對漿料的分散性和穩(wěn)定性以及流延素坯的強度和韌性有著重要影響。
有機和水基流延體系的常見添加劑
分散劑：流延成型所使用的粉體顆粒很小，需要添加分散劑，用于制約顆粒的團聚程度以及團聚體的強度。
黏結劑：它將粉體包裹在其中，并固化形成具有三維立體結構的骨架。其對流延帶的強度、可塑性、柔韌性、平滑度具有最大的影響。
增塑劑：可以通過對粉體顆粒的連接和潤滑作用，提高流延漿料的穩(wěn)定性和流動性。
新型流延工藝有哪些？
隨著流延成型技術的發(fā)展，出現了許多與流延成型相結合的新工藝。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黏結劑的黏性結合在一起，可以通過加熱的方式來增加這一效果。該工藝已應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似，即在流延成型的基礎上，對流延素坯進行等靜壓二次成型，以提高材料致密度和機械性能。葉楓等通過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單體和交聯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，然后經過流延設備流延，最后通過控制溫度并引發(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，經過流延成型后，引入紫外光源就可以使?jié){料原位固化成型，該方法不需要經過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未來發(fā)展的方向
隨著科技的進步和新興產業(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、5G通信、智能穿戴等領域有著巨大前景，而流延成型作為一種低成本可連續(xù)化工業(yè)生產的方法，將助力氮化硅陶瓷在這些領域的應用和推廣。
針對現階段氮化硅流延成型技術存在的問題，其未來的發(fā)展有以下幾個方向：
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量穩(wěn)定性的關鍵因素，隨著科技發(fā)展，新興產業(yè)領域對片狀氮化硅陶瓷在力學性能、熱學性能、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、黏結劑、塑化劑、燒結助劑等各類添加劑，進一步提高氮化硅流延成型技術的成熟度、獲得性能更佳的氮化硅素坯，促使氮化硅陶瓷更容易燒結致密化、獲得性能更優(yōu)的片狀氮化硅陶瓷。
3）對于氮化硅的有機流延體系，尋找低毒或無毒的溶劑，以減少安全問題和污染問題；對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、流延膜干燥時溶劑蒸發(fā)慢、流延素坯易出現裂紋等問題。
4）將流延成型與其他技術相結合，以彌補流延成型的不足并拓寬其應用領域。
來源：
謝雨洲：流延成型技術的研究進展
趙辰嘯等：流延成型技術制備片狀氮化硅陶瓷研究進展
（中國粉體網編輯整理/空青）
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