陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝是將低粘度、高固相體積分數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，再經燒結，制得顯微結構均勻、無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。經過近十多年的研究攻關，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到：坯體密度均勻（密度分布差小于0．5％）、坯體強度高（抗彎強度在20～30MPa）、易于加工；燒結后產品性能優(yōu)異：氮化硅基陶瓷產品性能，抗彎強度大于900MPa，韋伯爾模數m穩(wěn)定在20以上，最高可達到33；氧化鋁基陶瓷抗彎強度700MPa，韋伯爾模數m大于15（從部件上取樣的試件）。同時使陶瓷的制造成本降低一半，可靠性提高一倍以上。
高技術陶瓷產業(yè)化的核心技術
目前高性能陶瓷的應用面臨的兩大問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，從而導致產品的價格高，無法與金屬及其復合材料競爭，因此目前只能用于一些特殊領域。其中陶瓷機加工的成本幾乎占到陶瓷制造成本的1／3－2／3，主要是因為陶瓷部件的成型很難達到近凈尺寸成型。另外，陶瓷材料的性能分散性大，即陶瓷材料的可靠性差，使許多領域不敢涉足陶瓷產品。如果上述兩個問題不解決，高性能陶瓷的市場就很難打開局面。
回顧上世紀七十年代末，全世界范圍內石油能源危機的出現，高性能陶瓷以其優(yōu)異的耐高溫、高強度、耐磨損、耐腐蝕等性能，而被作為發(fā)動機零部件的候選材料，同時陶瓷的成型工藝成為重要的研究課題。以美國、日本等為首的發(fā)達國家，紛紛制定了在熱機。尤其是在汽車發(fā)動機中應用高溫結構陶瓷材料的國家發(fā)展計劃。我國“七五”和“八五”期間圍繞著陶瓷絕熱發(fā)動機的關鍵部件，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)動機部件樣品。根據國外的某些權威研究機構和有關研究室的報告，評價了日本在結構陶瓷研究之所以領先于美國并迅速地處于世界領先地位的主要原因之一在于陶瓷成型技術。二十多年過去了，成型工藝作為制備高性能陶瓷材料及部件的關鍵技術，它不僅是材料設計和材料配方實現的前提，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，國際上圍繞成型的基礎理論和技術開展了廣泛的研究，新的成型技術不斷涌現。我國在“九五”期間，為了促進結構陶瓷研究成果的推廣和應用，在863計劃中把成型技術列為結構陶瓷的關鍵技術。黃勇教授課題組承擔了這個課題的研究，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，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。通過這種成型技術，可以獲得高密度、高均勻性和高強度的陶瓷坯體，這種成型技術可以消除陶瓷粉體顆粒的團聚體，減少燒結過程中復雜形狀部件的變形、開裂，從而減少最終部件的機加工量，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，適合于規(guī)�；a，是高技術陶瓷產業(yè)化的核心技術。
艱苦的歷程
豐碩的成果
高技術陶瓷由于硬度高質脆，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便成為重要的研究課題和產業(yè)化的關鍵技術。
傳統(tǒng)的陶瓷注射成型技術來源于高分子材料的注塑成型，將大量的高分子粘結劑與陶瓷粉體混練在一起，然后通過注射成型機制備各種復雜形狀的陶瓷零部件。在20世紀80年代該技術在全球范圍內掀起了高技術陶瓷產業(yè)化的熱潮，但是由于含有大量的高分子粘結劑，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，嚴重限制了它的應用和發(fā)展。但是，由于其成型坯體尺寸精度高，易于規(guī)�；妥詣踊潭壬a，仍然對陶瓷產業(yè)界和研究機構具有巨大的吸引力。
為了避開陶瓷注射成型技術使用大量高分子粘結劑的缺點，九十年代后陶瓷成型技術的研究逐漸轉向含有少量有機物的水基膠態(tài)成型技術的研究，新的成型技術不斷涌現，如美國橡樹里國家實驗室發(fā)明的凝膠注模成型工藝、瑞士聯邦理工大學發(fā)明的直接凝固注模成型技術等等�？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進行了大量卓有成效的研究，并且與國際上的研究機構建立了廣泛的聯系。在九五初期，大膽創(chuàng)新提出把膠態(tài)成型和注射成型結合起來的“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)觀念認為，陶瓷非塑性水基漿料無法實現注射成型。研究人員在研究中對遇到的諸多關鍵技術也久經攻克難以突破。然而，在困難面前并沒有退縮，經過反復論證認為，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。通過五年的艱苦奮斗，研究人員經常吃住在實驗室，經歷多少不眠之夜，并在863新材料領域專家組的積極支持和鼓勵下，終于突破了陶瓷膠態(tài)注射成型的諸多關鍵技術，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際上第一臺水基料漿膠態(tài)注射成型機，實現了陶瓷水基非塑性漿料的注射成型。這是陶瓷制備技術的重大突破，是陶瓷成型工藝的一場革命。該成果屬于國際首創(chuàng)，達到國際領先水平。查新檢索證明，目前國際上尚無相同工藝研究內容的報道。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，避免了傳統(tǒng)陶瓷注射成型使用大量有機物所導致的排膠困難，實現了膠態(tài)成型的注射過程。
陶瓷膠態(tài)注射成型必須解決以下兩個重要的關鍵技術：陶瓷濃懸浮體的快速原位固化和注射過程的可控性。通俗而言即漿料在注射之前不能固化，流動性和穩(wěn)定性良好，注射充模之后要實現快速原位固化，其關鍵之點是要能夠找到一個外界的可控因素，如壓力、溫度、電磁波等，通常采用的是溫度誘發(fā)料漿固化。重大的科學發(fā)明常常是在科學實踐中的偶然發(fā)現的。課題組在調試膠態(tài)注射成型機時，為尋找如何通過注射壓力和充模排氣的關系進行系統(tǒng)試驗。在試驗過程中發(fā)現注射壓力對料漿固化非常敏感引起大家的注意。進一步試驗又發(fā)現常溫下料漿也能快速固化。因此發(fā)明了壓力誘導陶瓷膠態(tài)注射成型技術，這一技術不僅克服了溫度固化帶來的料漿中溫場不均造成固化坯體微觀結構不均勻性以及注射成型機的復雜控制系統(tǒng)，而且具有普適性。這一原創(chuàng)性的重大發(fā)現為該技術走向規(guī)模化生產和商品化奠定了堅實的基礎。
同時，我們進一步擴大研究成果，研制成功水基快速凝固膠態(tài)流延成型新工藝及設備，實現低成本水基快速流延成型；在國際上首次實現粗顆粒體系氮化硅結合碳化硅高級耐火材料的快速凝固成型，得到美國CARBORUNDUM認可和贊賞；發(fā)明了無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，加強基礎研究與國際間的學術交流和合作，提出溫控原位固化理論、常溫壓力誘導固化理論等。國際上首次揭示了陶瓷濃懸浮體失穩(wěn)過程中裂紋形成機理、產生原因和避免方法，建立延遲時間、離子濃度和凝膠強度對坯體顯微結構影響的理論模型。這些理論成果為膠態(tài)注射成型技術打下堅實的理論基礎。
技術應用與展望
為了檢驗陶瓷膠態(tài)注射成型技術新工藝的創(chuàng)新性和先進性，以及它是否可以促使高技術陶瓷實現產業(yè)化，必須選擇典型產品進行中試。研究人員進行了全國的市場調查，選擇有市場前景而且制造難度大的若干產品。為了加快中試的速度和解決試驗經費的不足，自籌資金建成300平方米的中試生產線。重點進行造紙機全陶瓷脫水元件、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全陶瓷內襯等產品的中試，試驗證明采用陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝生產的產品質量穩(wěn)定、合格率高，已具備產業(yè)化條件。
高技術陶瓷材料被譽為二十一世紀的新材料，它在信息、能源、汽車、紡織、化工、航天、石油、造紙、機械、海洋等金屬材料和高分子材料無法勝任的諸多領域獲得廣泛的應用，對推動我國國民經濟的發(fā)展，起到積極的促進作用。
人類的歷史已證明材料的進步是人類社會發(fā)展的物質基礎，是人類進步的里程碑，然而材料的進步是以技術為先導。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，高技術陶瓷材料的廣泛應用指日可待。當然，也必須認識到陶瓷膠態(tài)注射成型工藝及其技術裝備的推廣和規(guī)模應用剛剛開始，任重而道遠，尚需國家、企業(yè)界、投資界有識之士共同合作，共創(chuàng)我國高技術陶瓷事業(yè)的輝煌，使我國的陶瓷事業(yè)趕超發(fā)達國家，再次名揚世界。
我國的陶瓷具有悠久的歷史，它制作精巧，晶瑩雅致，馳名中外。我國陶瓷發(fā)展的歷史，記錄了中華民族的文明史。隨著社會的進步和科學技術的發(fā)展以及科學研究工作的深入，使古老的陶瓷賦予高性能的內涵，發(fā)展成為現代的高技術陶瓷，它具有優(yōu)異的物理力學性能，以及在電、磁、熱、光、聲、化學、生物等方面魔幻般的卓越功能，成為高新技術和重大工程中的關鍵材料。但是采用傳統(tǒng)陶瓷制備工藝和裝備很難獲得顯微結構均勻、無缺陷和近凈尺寸陶瓷部件。加之高技術陶瓷特別是結構陶瓷又硬又脆既難加工又容易產生突發(fā)性的斷裂，因而導致高技術陶瓷的制造成本高、性能離散性大、產品生產再現性和使用性能可靠性差等。為了實現高技術陶瓷產業(yè)化，黃勇教授領導的課題組提出了一種全新的高技術陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝。
黃勇，清華大學教授、博士生導師。1962年畢業(yè)于清華大學并留校，1986年至1987年為美國密西根大學訪問學者，1992年11月至1993年3月美國麻省理工學院高級訪問學者、研究科學家，1996年6月至8月為瑞士聯邦技術學院客座教授，2000年6月至7月在澳大利亞墨爾本Monash大學材料系講學與合作研究。現任清華大學材料科學與工程研究院常務副院長、新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室學術委員會副主任、中國硅酸鹽學會常務理事、中國硅酸鹽學會特陶分會理事長、第六、七屆國家自然科學基金委員會學科評審組成員、硅酸鹽學報副主編等。長期從事無機非金屬材料的教學與科研工作，在先進陶瓷的組成、結構與性能以及高技術陶瓷的制備科學、陶瓷的強化與韌化機理等方面有精深的研究。
高技術陶瓷特別是結構陶瓷又硬又脆既難加工又容易產生突發(fā)性的斷裂，因而導致高技術陶瓷的制造成本高、性能離散性大、產品生產再現性和使用性能可靠性差等，所以許多成果很難轉化為規(guī)�；a。
為了實現高技術陶瓷產業(yè)化，黃勇教授領導的課題組提出一種全新的高技術陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝，將低粘度、高固相體積分數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，再經燒結，制得顯微結構均勻、無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。
該研究得到國家高技術計劃、國家自然科學基金和教育部學科建設專項基金的立項資助。經過近十多年的研究攻關，陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝取得重大的成果，成果申請國家發(fā)明專利13項（已授權2項）、實用新型專利2項（均已授權），截至到2000年7月為止，在國內外刊物發(fā)表學術論文60余篇。2000年10月通過了教育部組織的八項系列成果鑒定，“陶瓷膠態(tài)注射成型新工藝”達到國際領先水平，“陶瓷膠態(tài)注射成型機”為國際首創(chuàng)，其余六項成果均達到國際先進水平。
高技術陶瓷：是以精制高純人工合成的無機化合物為原料，采用精密控制工藝燒結而制得的。廣義的高技術陶瓷與無機非金屬材料含義等同包括人工晶體、非晶態(tài)、陶瓷、及其復合材料、半導體、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、美術陶瓷等，它是以天然無機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溶劑或水介質中，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，經人工注入非孔模具中，依靠溫度誘發(fā)固化劑化學反應或聚合使料漿固化成型。
陶瓷注射成型：將粉料與有機粘結劑混合，經加熱混練制成混合料。將混合料裝入注射機，在一定溫度下混合料具有一定流動性，靠注射壓力注入金屬模具。冷卻后粘結劑固化而成型。
陶瓷膠態(tài)注射成型（ColloidalInjectionMouldingofCeramics，簡稱為CIMC）：具有膠態(tài)成型和注射成型綜合優(yōu)點，通俗而言是指水基非塑性漿料的注射成型。
