摘要

流延成型技術是一種制備二維平面陶瓷薄片的成型方法。隨著5G時代的到來，陶瓷薄片材料在電子工業中占有越來越重要的地位。本文從原料粉體入手，討論了有機添加劑對制備陶瓷薄片的作用機理；介紹了干燥環境對陶瓷薄片表觀性能影響；概述了目前常用的陶瓷薄片加工方法和應用現狀，并對未來陶瓷薄片的結構體進化進行了展望。

引言

01

高性能陶瓷材料具有高硬度、高強度、穩定的物理化學等特性，廣泛應用于半導體、新能源和航空航天等領域。陶瓷材料的優異性能與其成型方法密切相關，因此成為各個領域的研究熱點。1947年，Howatt提出了一種制備陶瓷薄片的方法——流延成型(Tapecasting)，該方法為陶瓷材料成型技術開辟了一條新途徑。

流延成型的基本原理如圖 1 所示：將具有一定粘度的陶瓷漿料倒入料槽，在膜帶的牽引下，漿料經過刮刀平鋪成一層薄的流延生坯，在加熱環境中去除生坯中的溶劑，干燥后得到陶瓷薄片。較其他成型工藝，流延成型具有如下優點：工藝簡單、效率高、規模大、連續性強，已廣泛應用于各種制造行業和科學研究中，如陶瓷基板、多層電容器和燃料電池薄膜等。雖然流延成型得到了廣泛的應用，但在其干燥過程中，陶瓷薄片往往存在各種缺陷。因此，有必要對流延成型的影響因素進行歸納總結。

本文闡述了制備陶瓷薄片的流延成型技術研究；討論了流延成型所用粉體原料的性質，有機添加劑對漿料性能的作用機理，以及干燥環境對陶瓷薄片表觀性能影響；總結了目前陶瓷薄片的應用現狀；展望了陶瓷薄片未來發展趨勢。

圖1 流延機理圖

陶瓷粉體

02

粉體是任何成型技術中最重要的原料之一，陶瓷產品的性能往往取決于粉體本身的特性。陶瓷粉體對流延成型的影響主要考慮如下性質：

（1）尺寸和形貌。粉體越細，其燒結過程的驅動力越大，有利于致密化。

（2）比表面積。比表面積影響粉體與有機添加劑的相互作用，從而決定最佳的有機添加劑含量。

（3）粉體密度。高密度粉體的D50小，才能保證顆粒在漿料中懸浮。Ojalvo等使用粒徑0.7μm、比表面積20.7m2·g–1、密度2.559g·cm–3、直徑為1.5μm，經流延后晶須原始形貌沒有破壞，且呈定向排布，有利于其發揮增韌作用。He等使用納米Al2O3作為原料，流延成型制備透明陶瓷薄片。陶瓷薄片紋理均勻，無變形，厚度接近0.1mm。通過以上研究發現：陶瓷粉體的選擇是由產品性能決定的。粉體確定后，下一步的重點是尋找合適的溶劑、粘結劑和增塑劑，以配制適宜流延的陶瓷漿料。

溶劑選擇

03

流延成型是一種流體成型的過程，粉體應該像流體一樣具有流動性，因此需要選擇合適的溶劑，將粉體配制成漿料。溶劑需要滿足以下三個特征：（1）溶解粉體。（2）使粉體和其他添加劑均勻化。（3）蒸發速度快且無污染。溶劑通常選擇水、乙醇、甲苯、三氯乙烷、丙酮或者幾種溶劑組合，各種溶劑的物理性質列于表 1。

由于流延生坯的干燥速度與生產能力緊密相關，因此選擇揮發性快且在干燥時瞬時蒸發的溶劑是最佳選擇。Si3N4陶瓷因其優異的力學性能和高溫性能而被廣泛應用于復雜結構件，對于復雜結構的制備，通常選擇流延成型技術。針對不同的溶劑選擇，Wei等使用乙醇作為溶劑，Li等使用水作為溶劑，制備了Si3N4陶瓷薄片。水具有蒸發溫度高、干燥特性差的缺點，因此需要解決許多質量問題。乙醇溶劑干燥迅速，可以得到具有高密度和良好表觀性能的陶瓷薄片，但存在污染環境的缺點。因此，對于不同生產要求應選擇合適溶劑。

粘結劑對漿料性能的影響

04

流延成型技術中，粘結劑是整個系統中最重要的有機添加劑。粘結劑在粉體之間構建一個三維網絡，為陶瓷薄片提供強度和韌性，使薄片可以進行加工和保持形狀。常用的粘結劑有聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、甲基纖維素等，選擇的粘結劑必須能夠溶解于溶劑中。

聚乙烯醇縮丁醛（PVB）是最常用的粘結劑之一，其分子式如圖2所示。從圖2中可以發現：PVB是聚合物長鏈分子，分子的主干由碳、氧和氫等共價鍵原子組成。附著在主干上的是沿著分子長度間隔分布的側基，側基決定了其易溶于乙醇。聚合物長鏈在乙醇溶液中形成空間網絡結構，將陶瓷粉料包裹在網絡的單元格中，干燥后形成具有一定強度和塑性的流延生坯。

唐國偉等研究了PVB對陶瓷流延生坯密度、力學性能、微觀結構及其燒結性能的影響，表明PVB分子量是主要的影響因素。Feng等使用PVB作為粘結劑，對漿液的流變行為進行了表征。漿料的粘度隨轉速的增加而降低，表現出典型的剪切變稀行為。

解玉鵬研究了SiCw漿料粘度與PVB含量的關系。粘結劑含量增加，漿料黏度提高，如圖3所示。同時，Salam等發現粘結劑的添加量會影響后續脫脂工藝。粘結劑越多，需要更高的脫脂溫度和時間，并且脂類不易完全去除，從而影響后續工序。

Liu等證實了加入過量粘結劑導致陶瓷薄片的生坯密度降低。高溫燒結后生坯產生過多的孔洞，導致陶瓷薄片收縮率增大。因此，尋找合適的粘結劑添加量至關重要。而粘結劑的添加量需要綜合考慮流延生坯的表觀形貌、加工特性，以及脫脂后的氣孔率對產品性能的影響。

增塑劑對塑料性能的影響

05

增塑劑是指在干燥或半干燥狀態下軟化粘結劑的添加劑。與粘結劑相比，它們是分子量較低的有機物，可溶于同一種溶劑中。常用的增塑劑有甘油、聚乙烯和領苯二甲酸二丁酯等。增塑劑的作用機理是縮短或部分溶解粘結劑主鏈，達到降低粘結劑玻璃轉化溫度的目的，從而使得聚合物長鏈可以無斷裂地伸長或縮短，陶瓷薄片呈現出一定彈性行為。同時，增塑劑的加入提高了聚合物鏈與鏈之間的相互作用，避免了鏈與鏈 之間發生交聯反應，有利于陶瓷薄片中粉體的遷移，達到了陶瓷薄片生坯可以發生彎曲而不折斷， 為后續干燥和加工工序奠定了基礎。

流延成型干燥工藝

06

漿料在膜帶的牽引下，經過刮刀形成一層漿料薄層，等待溶劑的揮發即為干燥過程。由于漿料中含有大量的添加劑和溶劑，在干燥過程中陶瓷薄片生坯會表現出不同的干燥行為。干燥過程主要受以下兩個因素控制：（1）溶劑在生坯表面的蒸發速率。（2）溶劑從生坯內部到表面的擴散速率。蒸發速率與干燥環境密切相關，而擴散速率與漿料體系有關，只有當兩個因素達到相對平衡，才能得到無缺陷的陶瓷薄片。

陶瓷薄片加工與成型

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干燥完成后，需要在規定的區域內，按x方向和y方向沖壓或裁剪所需形狀。沖壓可制成簡單的正方形或長方形孔，而裁剪可以制成各種各樣的其他形狀，將裁剪后的薄片進行疊層。例如：多層陶瓷電容器就是幾層薄片疊層燒結形成的單個堅固陶瓷體，如圖6所示。疊層中必須控制的基本參數有溫度、壓力和時間，溫度的選擇 主要考慮加入有機添加劑后的玻璃轉化溫度，以及產品疊層厚度和數量，保證所有陶瓷薄片受熱均勻。壓力的選擇主要考慮層與層之間緊密接觸達到成型要求，且壓力不會使陶瓷薄片變形影響最終尺寸。

應用

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流延成型工藝經過70多年的發展，在陶瓷工業中的應用越來越廣泛。例如：瓷基板、多層陶瓷電容器、燃料電池、功能梯度材料等，特別是在電子工業中，都是利用流延成型方法制備幾乎所有的基板材料?；迨?a target="_blank">電子線路中載體和支柱，用來沉積和布置線路。這些基板的共同特點是非常薄，通常為1.5mm或更薄。而隨著5G應用的快速發展，必將對基板提出更高的使用要求。

結語

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流延成型具有工藝簡單、可連續生產的特點是制備陶瓷薄片常用的成型方法。但該工藝限制因素較多，有機添加劑的含量往往是由經驗確定， 而不是由發生在顆粒表面的物理化學過程和它們之間的相互作用計算得到。陶瓷薄片對環境變量 非常敏感，過程中變量的改變往往影響產品性能。陶瓷薄片的厚度不易控制，應仔細分析影響陶瓷薄片厚度的因素，可以采取有限元模擬等手段，制備出厚度均勻、質量優異的薄片。流延成型的應用，為電子元器件和集成電路的廣泛應用鋪平了道路。下一步研究應結合工程陶瓷應用需要，設計具有微細觀結構、多孔結構以及仿生結構的功能一體化材料。

審核編輯：劉清