氧化鋁陶瓷注射成型產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

趙靖 王璽 聶洪波 董廣成

摘 要：氧化鋁陶瓷注射成型是一種制備陶瓷零件的新型技術(shù)。目前已得到良好的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。本文論述了該技術(shù)最新的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，分析了我國在陶瓷CIM領(lǐng)域面臨的市場問題，認(rèn)為當(dāng)前氧化鋁陶瓷注射成型產(chǎn)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是創(chuàng)新和行業(yè)融合性不足，產(chǎn)業(yè)利潤率提升慢，材料種類單一。展望未來，應(yīng)建立“應(yīng)用拓展、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、行業(yè)聯(lián)合”的思路，以推進(jìn)氧化鋁陶瓷注射成型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為建設(shè)創(chuàng)新型國家提供有力支持。

關(guān)鍵詞：氧化鋁陶瓷;注射成型;產(chǎn)業(yè)發(fā)展

1 氧化鋁陶瓷注射成型概述

陶瓷通常是經(jīng)過制粉、成型、燒結(jié)等工藝制成，從其應(yīng)用來看，可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類。氧化鋁是結(jié)構(gòu)陶瓷的主力軍，在陶瓷領(lǐng)域內(nèi)有著重要的地位。氧化鋁（尤其是α-Al2O3）的導(dǎo)熱性高、硬度高、電阻率大、耐腐蝕、耐高溫，且具有很強(qiáng)的抗氧化性。以純的α-Al2O3含量多少，依次衍生出了一個(gè)大系列的結(jié)構(gòu)陶瓷種類，包括剛玉瓷、95瓷、85瓷、莫來石瓷等。

氧化鋁陶瓷材料低塑性的特點(diǎn)決定了其成型工藝中，是可以近凈成型方式進(jìn)行的。近年來，氧化鋁陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加，對于陶瓷件的復(fù)雜度、精密度等方面提出了更嚴(yán)苛的要求。傳統(tǒng)的氧化鋁陶瓷成型技術(shù)在匹配這些需求時(shí)顯得力不從心。粉末注射成型（Powder Injection Molding，PIM）是上世紀(jì)美國成形物理公司研究出的一種新型技術(shù)[1]，它將塑料的注塑成型和粉末冶金技術(shù)完美的結(jié)合，能夠獲得尺寸精密、形狀復(fù)雜度高的陶瓷零件。經(jīng)過燒結(jié)后，一般無需進(jìn)行后處理或僅需極少的后處理工藝，其尺寸公差可達(dá)±0.1%左右，且與塑料注塑過程類似，生胚成型時(shí)所產(chǎn)生的注塑管道等材料可重復(fù)利用，有利的保證了材料的高回收率。

從使用材料來講，PIM可細(xì)分成金屬注射成型（Metal Injection Molding，MIM）和陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding，CIM）兩類。氧化鋁陶瓷注射成型屬于CIM，其基本工藝過程為將氧化鋁粉和其他無機(jī)材料粉末混合后，添加一定量的粘結(jié)劑，一般為石蠟、聚乙二醇、聚醛樹脂[2]等。為使這些陶瓷粉末具備塑料的可注塑性，粘結(jié)劑的添加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)干壓成型等方法所需要的粘結(jié)劑含量。粘結(jié)劑與氧化鋁陶瓷粉體均質(zhì)后進(jìn)入特制的陶瓷注塑機(jī)進(jìn)行成型，然后再用各種方式脫脂、燒結(jié)，最后經(jīng)加工制成產(chǎn)品。其工藝流程圖如圖1所示。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，氧化鋁陶瓷注射成型技術(shù)已經(jīng)展示了重要的價(jià)值地位和多樣化的應(yīng)用前景，是先進(jìn)制造和智能制造的一個(gè)發(fā)展方向。為搶占疫情防控常態(tài)下的發(fā)展機(jī)遇，滿足3C、家用電器、汽車、醫(yī)療等行業(yè)的生產(chǎn)需求，了解氧化鋁CIM技術(shù)的現(xiàn)狀，探討其產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向，開發(fā)新型的CIM技術(shù)對建設(shè)創(chuàng)新型國家、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化具有深刻的意義。

2 氧化鋁CIM產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)規(guī)模增加

現(xiàn)在，氧化鋁CIM已經(jīng)發(fā)展成具有很高競爭力的、制造復(fù)雜小型零件的成形方法，2002年全球從事氧化鋁的注射成形的公司是70家。2010年擴(kuò)大到130家左右，2015年統(tǒng)計(jì)氧化鋁CIM的企業(yè)已經(jīng)超過200家，全球有二十幾個(gè)公司提供喂料。整個(gè)氧化鋁CIM行業(yè)的從業(yè)人員達(dá)到三千多人。其中，純剛玉氧化鋁材料CIM占了總利潤的80%以上[3-6]。圖2是2010年和2019年全球氧化鋁CIM銷售額的分布圖。從圖上可以看出，近年來，亞洲的發(fā)展速度非常迅速，無論是從市場占有率、產(chǎn)品外形還是應(yīng)用行業(yè)來講，都有了明顯的進(jìn)步。

我國氧化鋁CIM技術(shù)發(fā)展較快，產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步增長，上下游的產(chǎn)業(yè)鏈條正在趨于完善，形成了較好的產(chǎn)業(yè)格局，并逐步建立了完整的氧化鋁CIM生態(tài)體系。根據(jù)中國粉末冶金協(xié)會產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)，在2015-2019年五年間，我國從事PIM生產(chǎn)的企業(yè)規(guī)模增速超過35%[7-9]，這一速度超過了世界平均水平。在氧化鋁CIM方面，我國的本土企業(yè)也有了一定量的成長，涌現(xiàn)出浙江景鵬、山東鵬程等一批龍頭企業(yè)[10]，業(yè)務(wù)量和銷售額也在逐年進(jìn)步。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展

進(jìn)入21世紀(jì)以來，粉末注射成型的產(chǎn)業(yè)化大幅增長。應(yīng)用領(lǐng)域從最開始的航空工業(yè)，軍工業(yè)等方面逐漸滲透到民用領(lǐng)域，諸如汽車、電子、醫(yī)療、通訊等等。尤其是近五年來，隨著3C數(shù)碼的需求量持續(xù)增加，在這些行業(yè)（尤其是手機(jī)產(chǎn)業(yè)）里的氧化鋁CIM應(yīng)用也取得了長足進(jìn)步。例如，小米手機(jī)的幾款新型5G手機(jī)產(chǎn)品的后殼就采用了氧化鋁注射成型制造。如表1所示，現(xiàn)在氧化鋁CIM零件在很多領(lǐng)域如醫(yī)療、通訊、機(jī)加工、武器裝備等都有很好的應(yīng)用空間[11-13]。

3 問題與挑戰(zhàn)

從當(dāng)前氧化鋁CIM發(fā)展所取得的成績來看，我國氧化鋁CIM行業(yè)的規(guī)模是值得肯定的，但與歐美日等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家相比，在基礎(chǔ)理論、粘結(jié)劑體系、脫脂關(guān)鍵工藝等方面仍存在較大的差距，因此產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)也十分顯著。從氧化鋁CIM角度分析，我國的氧化鋁陶瓷注射成型的核心裝備（如陶瓷注射成型機(jī)等）和關(guān)鍵元器件（如耐磨螺桿等）還需要進(jìn)口;一些先進(jìn)的粘結(jié)劑體系和脫脂工藝的工業(yè)應(yīng)用主要在歐美國家進(jìn)行開發(fā)。這些國家和地區(qū)借助資金、人才和技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)置了各種技術(shù)壁壘。我國在氧化鋁CIM產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題和挑戰(zhàn)主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1行業(yè)融合性不足

粉末注射成型的一些關(guān)鍵性技術(shù)基本都是歐美等國家率先開展起來的。從陶瓷產(chǎn)量來講，我國一直穩(wěn)居世界前列，但是關(guān)鍵核心的工藝卻一直是跟隨國外的先進(jìn)技術(shù)。以氧化鋁CIM流程中最關(guān)鍵的脫脂工藝技術(shù)為例，傳統(tǒng)的氧化鋁陶瓷CIM的熱脫脂速率慢，所需時(shí)間長且最終燒結(jié)體容易產(chǎn)生變形、氣孔等缺陷，導(dǎo)致了CIM的氧化鋁器件很難在厚壁零件上取得進(jìn)展。因此國外發(fā)展出來體積性加熱、加熱過程快且均勻的微波加熱脫脂技術(shù)[14]、時(shí)間縮短一半以上的水溶性脫脂技術(shù)[15]、流變性能更高的凝膠脫脂技術(shù)[16]等，而國內(nèi)企業(yè)基本上則會在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修補(bǔ)完善，沒有完整的自我創(chuàng)新。

近幾年德國著名的化工公司BASF[17]，在CIM行業(yè)開發(fā)了一鳴驚人的催化脫脂技術(shù)。催化脫脂的過程是一個(gè)固相轉(zhuǎn)化為氣相的過程，從而避免了熱脫脂過程中由于出現(xiàn)了液相而導(dǎo)致的生胚軟化，也避免了由于重力、內(nèi)應(yīng)力影響而產(chǎn)生的燒結(jié)體變形和缺陷，而其最大的優(yōu)勢在于脫脂速度是目前已知所有脫脂工藝中最高的。催化脫脂的原理是利用硝酸或草酸做催化劑，把聚甲醛等有機(jī)載體大分子分解為甲醛，甲醛迅速在胚體中擴(kuò)散完成脫除[18]。表2是催化脫脂技術(shù)和其他幾種脫脂技術(shù)的工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比表。BASF公司在推廣該技術(shù)時(shí)甚至將氧化鋁陶瓷注射成型后的生胚制成了可以彈跳的球體，以證明其生胚的力學(xué)強(qiáng)度性能。與此同時(shí)，德國PIM行業(yè)兩大制造商阿博格（Arburg）注塑機(jī)公司和克萊默（Cremer）熱處理設(shè)備公司，攜手BASF共同成立了行業(yè)的A.B.C聯(lián)盟[19-21]，在氧化鋁CIM產(chǎn)業(yè)中，涵蓋了從原料、注塑到連續(xù)燒結(jié)的全過程。

但是BASF的產(chǎn)品已經(jīng)申請了專利保護(hù)，并將這種以聚醛樹脂（POM）為粘結(jié)劑體系的一大類材料（包括多種金屬材料和陶瓷材料）命名為Catamold。因此國內(nèi)企業(yè)如果想使用這種材料進(jìn)行氧化鋁CIM的生產(chǎn)，只能花高價(jià)購買此材料或支付不菲的專利使用費(fèi)用。這個(gè)技術(shù)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氧化鋁陶瓷的生產(chǎn)成本，甚至超過了成品價(jià)格。這給我國的科技人員和生產(chǎn)企業(yè)一個(gè)警示，必須發(fā)展我國獨(dú)立的創(chuàng)新技術(shù)支撐氧化鋁CIM產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并成立行業(yè)內(nèi)聯(lián)盟，確保團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)，優(yōu)勢互補(bǔ)，達(dá)到技術(shù)領(lǐng)先的目的。

3.2 產(chǎn)業(yè)利潤率提升較慢

從國內(nèi)來看，主要的氧化鋁陶瓷CIM公司還是分布在長三角，珠三角地區(qū)。這是由于這些地區(qū)的上游原材料供應(yīng)商和下游應(yīng)用企業(yè)資源充足。其余地區(qū)如華北、陜西，河南，兩湖地區(qū)也有部分廠商，但規(guī)模都不大[22-23]。而如果沒有這些便利的地理位置優(yōu)勢，氧化鋁陶瓷的注射成型產(chǎn)業(yè)很難得到開展，說明其產(chǎn)業(yè)利潤率較低。從氧化鋁陶瓷的CIM工藝中可以看出，脫脂時(shí)間長、能耗高、產(chǎn)品生產(chǎn)周期長等因素都制約產(chǎn)品利潤的提升。因此必須從技術(shù)上進(jìn)行革新，達(dá)到更好的市場競爭力。圖3是廈門某企業(yè)在開展前期調(diào)研時(shí)，筆者根據(jù)其生產(chǎn)的場地、人工、能源、產(chǎn)品（95瓷管）等因素，所進(jìn)行的CIM項(xiàng)目生產(chǎn)可行性分析。分為自制物料和外購物料兩種情況。從圖3中可以看出，若采用BASF生產(chǎn)的POM基注塑料，則其成本的72%將會被原材料所占據(jù)，因此根本無法實(shí)現(xiàn)市場化。只有提升了自制物料的技術(shù)水平，才可能使產(chǎn)品的生產(chǎn)成本下降，并具備與其他氧化鋁成型生產(chǎn)方式爭奪市場的能力。

2.3 材料種類相對單一

盡管氧化鋁陶瓷產(chǎn)品是一個(gè)龐大的家族，但從CIM行業(yè)看，目前行業(yè)領(lǐng)先者并不突出。BASF雖然一直在大力推廣其Catamold系列材料，但由于價(jià)格較高，未能有大范圍的普及。阿博格注塑機(jī)也成立了專門用于CIM機(jī)型的研發(fā)中心[24]，同樣受制于價(jià)格和生產(chǎn)效率，推進(jìn)速度緩慢?，F(xiàn)階段氧化鋁CIM的產(chǎn)業(yè)化主要是由99瓷或剛玉的CIM陶瓷產(chǎn)品構(gòu)成，約占整個(gè)氧化鋁CIM行業(yè)銷售額的95%以上[25]。這是因?yàn)閯傆窕?9瓷產(chǎn)品附加值較高，對于復(fù)雜產(chǎn)品來說有一定的利潤率。但是其他氧化鋁陶瓷材料的CIM產(chǎn)業(yè)還處于一個(gè)需要提升的階段。尤其是一些非剛玉瓷的器件，例如95瓷、85瓷甚至75瓷等，其產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，產(chǎn)量也位居結(jié)構(gòu)陶瓷之首，卻因?yàn)樯a(chǎn)成本過高而使這些材料的CIM技術(shù)無法進(jìn)入市場。因此，一定要大力發(fā)展新的CIM工藝，使成本、能耗和生產(chǎn)周期進(jìn)一步顯著降低，才能使氧化鋁陶瓷總體的CIM產(chǎn)業(yè)有明顯提升。

4 結(jié)論與展望

我國已進(jìn)入十四五時(shí)期，在這個(gè)偉大的年代，科技人員要堅(jiān)持創(chuàng)新的核心地位，并豎立科技自立自強(qiáng)的信念。智能制造技術(shù)和先進(jìn)無機(jī)非金屬材料技術(shù)都是十四五規(guī)劃的科技重點(diǎn)發(fā)展方向。從未來的發(fā)展趨勢來看，盡管近期受到了新冠疫情的影響，產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)展出現(xiàn)一定程度的減緩[26]，但是整體還是呈現(xiàn)了良好的態(tài)勢。在氧化鋁陶瓷的CIM產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，建立創(chuàng)新工藝，降低成本、提高質(zhì)量。要加強(qiáng)在氧化鋁陶瓷行業(yè)的CIM材料體系發(fā)展，重點(diǎn)發(fā)展目前用量最多的95瓷、85瓷等系列產(chǎn)品，使氧化鋁的CIM產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，縮短甚至趕超歐美日等發(fā)達(dá)國家。同時(shí)，利用已經(jīng)積累的多行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)革新和升級我國的特色裝備，打破國外設(shè)置的重重技術(shù)壁壘，推動高性能和高精密度的氧化鋁CIM工藝與裝備及其配套技術(shù)的創(chuàng)新性發(fā)展。

氧化鋁陶瓷注射成型技術(shù)憑借其更高的材料利用率，更靈活的制造復(fù)雜外形產(chǎn)品等優(yōu)勢，對其他氧化鋁陶瓷成型工藝的替代作用越來越強(qiáng)，未來的應(yīng)用領(lǐng)域也將越來越廣。當(dāng)前，全球粉末冶金技術(shù)和注塑技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，技術(shù)和應(yīng)用方面要不斷推陳出新，抓住新的應(yīng)用市場?？傮w而言，要把握“應(yīng)用拓展、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新”的思路。應(yīng)用拓展方面需結(jié)合氧化鋁CIM工藝特點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化，優(yōu)先發(fā)展復(fù)雜零件需求較多的市場，如電子、醫(yī)療、通訊等行業(yè);產(chǎn)業(yè)發(fā)展要結(jié)合氧化鋁CIM設(shè)備和裝備的特點(diǎn)，提高氧化鋁CIM批量生產(chǎn)能力，建立原料到市場的完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，培育一批具有國際競爭力的領(lǐng)先科研團(tuán)隊(duì)和生產(chǎn)企業(yè);技術(shù)創(chuàng)新方面，要力求完善氧化鋁陶瓷CIM的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合云制造、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)及其他基于工業(yè)4.0的智能集成系統(tǒng)，促進(jìn)CIM材料、設(shè)備和技術(shù)的全面革新。隨著疫情后期經(jīng)濟(jì)回暖，3C工業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)和汽車工業(yè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，氧化鋁陶瓷注射成型產(chǎn)業(yè)定將迎來更廣闊的市場。

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