单组分的氧化铝陶瓷材料在强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和绝缘性等方面具有明显优势，但韧性不足，使其在某些领域使用时的可靠性和安全性大大降低。在氧化铝陶瓷中添加第二相或引入颗粒、晶须、纤维制备成氧化铝基复合材料，可改善氧化铝陶瓷的韧性、抗热震性和疲劳强度，也可形成陶瓷功能材料，大大扩展了其应用范围。

近净成形技术是一种成本低、生产工序少、成形精度高和材料利用率高的先进加工技术。将其应用于陶瓷基复合材料加工，可实现工艺和加工过程的精确控制，可以让更多复杂形状的高性能氧化铝陶瓷基复合材料会得到更广泛的应用。

化纤纺丝用氧化铝复合陶瓷导丝器

近净成形技术的不断发展使得制备形状复杂的近净成形氧化铝陶瓷基复合材料成为可能，下文将对激光近净成形、伪半固态触变成形、凝胶注模成型、粉末注射成形这几种近净成型在氧化铝陶瓷基复合材料制备中的应用做简单介绍。

1、激光近净成形

技术简介：首先构建CAD零件三维模型进行分层切片数据处理，然后在快速成

型设备上根据各个截面的数据，利用激光有选择的进行固化和烧结，逐步叠加形成三维制品。

激光近净成形技术

示例：氧化铝（Al₂O₃）和氧化锆（ZrO₂）复合陶瓷修复体能再现天然牙色泽，生物学性能好，能承担较大咀嚼载荷。传统制作方式采用粉浆涂塑、玻璃渗透烧结，存在着工艺繁琐，加工周期长等问题。目前主要应用牙科CAD/CAM系统、采用数控切削的方式对预制的机械加工陶瓷坯材进行去材加工成型后再烧结。若采用致密烧结的高强度陶瓷作为坯材，其可切削性能差，切削效率低、刀具磨损大。为了解决这些问题，以“Procera All-ceram”为代表的牙科CAD/CAM系统采用了切削陶瓷粉末压结体或部分烧结体的方法进行加工成型，切削后再对修复体进行完全烧结，降低了切削难度。但是，切削去材加工的方式造成了材料的大量浪费，增加了制作成本；同时，压结体的制备需要较为复杂的设备和工艺条件，而二次烧结费时、费力，烧结时的体积收缩也十分明显，影响了修复体的制作精度。

牙科全瓷修复体材料

选择性激光熔覆（SelectiveLaserMelting，SLM）是一种先进的快速增材制造技术，以粉末材料为原料，激光辐照扫描能使粉末材料熔化并快速凝固，在计算机控制下逐层堆积成型致密度达100%的零件，不受结构复杂性限制。它具有的主要优势为：①增材制造，材料的利用率高；②一次成型，减少了加工操作的步骤，降低了成本和难度；③激光速熔速凝的加工方式赋予了成型材料更加均匀一致的组织结构和优异的力学性能。因为这些优势，SLM技术被迅速应用于材料加工的各个领域内，成为目前国内外研究的热点。但利用SLM技术加工陶瓷材料的研究较少，已知的研究发现在进行陶瓷材料成型时会存在成分偏析和成型件开裂等问题，成型陶瓷件的力学性能不足。

刘治②在其发明专利中等提出了一种新的新的用于SLM成型的Al₂O₃/ZrO₂粉末材料及其制备方法,可在经过激光熔覆成型后形成内部组织结构均一,无明显物相偏析的口腔用Al₂O₃/ZrO₂复相陶瓷材料,所采用的制备方法为利用电磁感应加热炉以及激光器对粉床进行二次预热,到预定预热温度后进行激光熔覆成型。可以有效减小陶瓷材料成型时熔池内外的温度梯度,降低内部热应力,减少材料表面及内部裂纹的生成,提高其力学性能。采用该粉末配比以及制备方法成型的SLMAl₂O₃/ZrO₂复相陶瓷材料内部组织均匀一致,无物相偏析,表面及内部无明显裂纹生成,力学性能较好,有望在将来作为全瓷冠,桥及嵌体的材料应用于口腔修复临床。

2、伪半固态触变成形

将适量的延性金属引入到陶瓷材料中可在保持陶瓷材料高强高硬特性的同时有效提高陶瓷材料的断裂韧度。韧性的提高主要来源于延性金属相对裂纹的桥联作用和桥联区金属的塑性变形及断裂所耗散的能量。

金属增韧的Al/Al₂O₃复合材料，在强度提高的同时塑性却大大降低（相对于金属铝而言），难以用普通的成型方法获得形状复杂的零件。国内外研究学者主要采用高温直接氧化工艺和原位反应工艺制备Al/Al₂O₃复合材料。与之相比，伪半固态触变模锻成形工艺制备的复合材料有较高的力学性能。程远胜等③采用不同成形工艺制备的37%Al/Al₂O₃复合材料并对其力学性能进行比较原位反应及高温氧化制备的复合材料制件抗弯强度分别为430MPa及367MPa，断裂韧性分别为10.8MPa•m^1/2及13MPa•m^1/2；而伪半固态模锻成形制件抗弯强度及断裂韧性分别为690MPa和13MPa•m^1/2。

伪半固态触变成形工艺

伪半固态触变成形是将金属--陶瓷混合粉末冷压成形，制成一定形状的坯料，然后在一定压力作用下将二次重熔的固液态坯料进行模锻成形，该工艺实现了近净成形形状复杂的金属陶瓷零件。

金属／氧化铝复合材料伪半固态触变成形工艺流程

备注：常见金属/陶瓷的润湿性和相容性都很差，Al/Al₂O₃复合材料在1000℃没有任何烧结现象。为了改善二者之间的润湿性，可采用陶瓷粉体预先热处理及添加合金元素Mg的方法。Al₂O₃颗粒的预先热处理可以减少或消除颗粒表面吸附的杂质和气体，提高与液态铝的润湿性能。热处理工艺是约900℃，保温1~2h。Mg作为一种表面活性元素吸附和富集在铝液表面或Al/Al₂O₃界面处，降低铝液表面张力和界面张力。

3、凝胶注模成型

凝胶注模是将传统的陶瓷粉体成型与有机物原位聚合相结合的一种新型成型工艺，为制备高性能、复杂结构的多孔陶瓷提供了一条新途径。这是一种前景广阔、实用性强的近净成形技术，它设备简单、成型坯体密度高、强度高、收缩小，易成形形状复杂零部件，在航空航天、生物制造、隔音降噪等领域具有广阔的应用前景。

凝胶注模成型工艺流程

工艺起源及特点：凝胶注模工艺是在20世纪90年代初期，由美国橡树岭国家重点实验室的Omatete等提出并研发的，其将高分子单体聚合灵活地引入到粉体成型中，实现了有机聚合物化学反应与传统陶瓷粉体成型工艺结合，可制备近净尺寸、高强度的均匀坯体。

目前，多孔陶瓷的制备方法有颗粒堆积法、添加造孔剂法、发泡法、有机泡沫浸渍法以、冷冻干燥法及凝胶注模法等。其中，颗粒堆积法与添加造孔剂法制备的多孔陶瓷气孔率不高，且气孔均匀性差；发泡法的孔径大小较难控制，且坯体强度较低；有机泡沫浸渍法不能制备小孔径、闭气孔的制品；冷冻干燥法需要特殊的冷冻设备。而凝胶注模作为一种新工艺可与不同成孔方法相结合而制备高性能多孔陶瓷，因此受到广泛关注与研究。

与其它成型工艺相比，凝胶注模法有以下显著优点：对粉体性能要求低，适用范围广；近净尺寸成型，可制备结构复杂的陶瓷部件；孔隙率高的同时，坯体强度高，且坯体均匀性好；工艺过程简单，工艺参数容易控制，生产周期短，成本低廉。

4、粉末注射成形

将铜颗粒加入到氧化铝基体中，它能通过使基体裂纹偏转或钝化、以及铜颗粒本身的拔出或钉扎等几种方式来阻碍氧化铝基体的裂纹扩展，提高材料的断裂韧性与抗弯强度，从而能够改善氧化铝的力学性能。另外，氧化铝基体中引入金属铜，能改善金属与氧化铝两相的结合状态发挥二者的协同作用，得到同时具有陶瓷和金属优点的复合材料。

陶瓷注射成形（CIM）创造性地结合了塑料工业的注射成形技术而发展起来的一门新兴的近净成形技术。该技术广泛应用于汽车、医疗、军工、电子、机械和日用品等行业，适合大批量制造三维形状复杂的零部件。烧结产品的物理、化学和机械性能接近锻件，复杂形状和高精度可以和塑料制品媲美。

乔斌等⑤采用注射成形方法在一定得工艺条件下制备了Cu /Al₂O₃复合材料，研究了铜的含量对复合材料性能的影响，结果表明:铜含量为 10% 时，复合材料具有最佳综合性能。通过扫描电镜观察了复合材料的断口形貌，分析了其断裂机制，表明 Cu /Al₂O₃复合材料断裂时存在沿晶断裂、穿晶断裂以及铜颗粒的拔出三种方式，且三者比例依次降低。

陶瓷注射成形（CIM）的基本工艺过程可分为４个阶段：喂料制备、注射成形、脱脂和烧结。

与传统的干压成形技术相比，CIM具有以下优势：

1）成形过程自动化程度高，可大批量生产形状复杂、尺寸精度高、体积小的陶瓷部件；

2）成形的陶瓷生坯件结构密实，质量分布均匀，最终烧结后的性能也优于传统成形的产品；

3）CIM是一种近净尺寸成形工艺，生产出的产品具有极高的尺寸精度和表面光洁度，无需（或只需微量）后续加工，大幅降低生产成本，在传统成形工艺中，后期的尺寸精度加工占整个陶瓷制备成本的30％左右。

参考资料：

1、氧化铝陶瓷基复合材料的近净成形制备技术研究现状；淮海工学院机械工程学院，尚峰，乔斌贺毅强，李化强，孙伟等；徐州工程学院江苏省大型工程装备检测与控制重点建设实验，尚峰，乔斌；中国矿业大学机电工程学院，曹振伟。

2、专利：氧化铝/氧化锆SLM陶瓷粉末材料及其制备方法；中国人民解放军第四军医大学；高勃，刘治，杨海鸥，宋阚，王伟娜，吴江。

3、Al/Al₂O₃复合材料伪半固态触变模锻成形；哈尔滨工业大学材料科学与工程学院；程远胜，罗守靖。

4、凝胶注模制备多孔陶瓷的研究进展；西安建筑科技大学材料与矿资学院，贺辉，张颖，张军战，张海昇等着。

5、铜含量对注射成形 Cu /Al2O3复合材料性能的影响；江苏省海洋资源开发研究院，乔斌；中国矿业大学，付广柱、董炎锋；淮海工学院，贺毅强、冯立超、李化强。

编辑：Alpha