1水基流延成型工艺的特点
2水基流延成型工艺的浆料组成
水基流延成型浆料是一个比较复杂的系统，主要由陶瓷粉体、水、分散剂、粘结剂、塑性剂以及其它添加剂组成。在制备时要满足以下几个要求：①尽可能降低有机物的含量；②在满足浆料流变性的要求下尽量提高固相含量；③在满足浆料分散性的要求下尽量降低分散剂的含量；④优化增塑剂和粘结剂的比例，使得坯体有足够的柔韧性和强度。
2.1陶瓷粉体
许多陶瓷粉体，如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BaTiO3、AlN等都可以采用水基流延成型工艺进行成型。粉体的纯度、粒度、比表面积、尺寸分布、颗粒形貌等特性对成型工艺有着重要影响。因此，成型时必须具体考虑到陶瓷粉体的这些特性。
陶瓷粉体的颗粒尺寸对颗粒堆积以及浆料的流变性能会产生重要影响。为了能够使成型的素坯膜中陶瓷粉体颗粒堆积致密，粉体的尺寸必须尽可能小。但是另一方面，颗粒尺寸越小比表面积越大，浆料制备时所需的有机添加剂越多，使得素坯膜的排胶困难，干燥和烧结后收缩率增加，降低最终烧结材料的密度。一般来讲，陶瓷颗粒尺寸的最佳范围在1～4μm之间，比表面积在2～5m2/g之间。
陶瓷粉体中不能有硬团聚，否则会影响颗粒堆积以及材料烧结后的性能。
2.2粘结剂
粘结剂最主要的任务是通过包裹粉末颗粒，自身固化形成三维的树脂构架，赋予薄带一定的强度。选用粘结剂应考虑的因素有：（1）素坯膜的厚度；（2）易烧除，不留有残余物；（3）能起到稳定浆料和抑制颗粒沉降的作用；（4）要有较低的塑性转变温度，以确保在室温下不发生凝结；（5）考虑所用基板材料的性质，要易于分离素坯膜。
目前水基流延成型工艺中常用的粘结剂有2类：纤维素和乙烯或丙烯酸类聚合物。通常纤维素有离子型和非离子型之分，前者属聚合电解质，可同时起到粘结剂和分散剂的作用；后者主要起粘结剂作用。乙烯类添加剂是C2C长链结构，端部有自由基可以结合其他原子，若结合两个官能团则形成丙烯酸结构。
Kristoffersson等对比了羟丙基纤维素（HPMC）、聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸（PAA）对氧化铝陶瓷流延成型的影响。结果表明PVA、HPMC浆料粘度高，PAA浆料固含量比前两者要高。前两者膜片起膜时有少量粉末残留于钢带表面，表面粗糙，并有针孔和裂纹等缺陷，后者膜片表面光滑平整，密度高，强度较高。此外，Snijkers等采用明胶作为粘结剂，Kim等采用PVP2PVA2明胶作为粘结剂也取得了良好的效果。
根据粘结剂在水中分散形态的不同，可将粘结剂分为乳液型和溶液型。两者的一个很大的区别在于分子分散形态不同而引起的粘度变化，乳液粘度小，可以大大提高陶瓷粉体的固含量。流延成型用聚合物乳液多为阴离子型乳化剂稳定的乳液，聚合物以30～50nm的球形乳胶颗粒均匀分散在溶液中，乳胶颗粒在干燥阶段结合在一起形成聚合物网络而成膜。
2.3增塑剂增塑剂
最重要的作用是降低粘结剂的玻璃化转变温度，使粘结剂能在较高的温度下工作，提高素坯膜的柔韧性。可用于水基流延成型的水溶性增塑剂包括醇类如丙三醇（甘油），聚合物如聚乙二醇（PEG）或聚丙烯醇（PPG），酞酸类添加剂如苯甲基丁基酞酸（BBP）和双丁基酞酸（DBP）。
增塑剂的添加量越大，素坯膜的柔韧性越好，孔隙率降低。若增塑剂的添加量过大，会导致陶瓷颗粒之间距离的增大，从而降低素坯膜的密度。因此，增塑剂的添加量要适当。
2.4分散剂陶瓷颗粒在溶剂中的分散程度对素坯膜的显微结构有着十分重要的影响。陶瓷颗粒在液体中的分散一般来说是很不稳定，微小的颗粒有重新聚合成大团聚体的明显趋势，由此产生的颗粒簇的快速沉淀会造成分层效应。因此，大多数流延浆料中要添加分散剂，从而控制颗粒团聚程度，尤其对于高固相含量的浆料。浆料的稳定机制主要有静电稳定机制、空间位阻稳定机制和静空间稳定机制。
水基流延成型工艺所用的分散剂按分子表面活性基团和荷电情况分为非离子、阴离子、阳离子和两性离子4种。一般说来，阴离子表面活性剂主要用于颗粒表面带正电的中性或弱碱性浆料；而阳离子表面活性剂主要用于颗粒表面带负电的中性或弱酸性浆料。目前常用的分散剂是聚电解质，其稳定机理以静空间稳定机制为主，如NH4PA、NH4PMA及聚丙烯酸等。
研究对于流延成型工艺有着非常重要的意义。浆料流动性的好坏不但直接影响到浆料的制备及流延成型工艺的各步操作，而且对素坯膜的性能有着重要的影响。根据流变曲线的性质，浆料体系一般分为塑性体、假塑性体和胀流体。
为了能得到厚度一致、表面光滑、显微结构均一的素坯膜，流延成型的氧化铝陶瓷浆料必须表现出假塑性流体的特性。假塑性，即剪切薄化，是弱絮凝悬浮体的特殊粘度行为，颗粒被限制在浅的第二能量极小值处。这种效应的机理可以被描述为当剪切力高得足以破坏团聚体时，其俘获的液体介质就会被释放出来，从而降低浆料的粘度。在流延成型过程中，刮刀通过浆料时会给浆料一个剪切应力，这时浆料粘度减小，便于浆料在基带上均匀散开；当刮刀已经通过浆料时，剪切应力变为零，粘度立即增大，这样会减小浆料组分在湿膜上的迁移，有利于保持素坯膜组分的均一，避免了浆料流动的不可控制性。一般来讲，为了避免流延成型的浆料在剪切应力为零时保持低粘度的时间过长（否则浆料的流动性和膜厚难以控制），流延成型的浆料不宜表现出触变性。
4流延膜的干燥在流延膜的干燥过程中，存在着两个连续的过程，区别在于溶剂的蒸发速率不同。第一阶段溶剂的蒸发速率保持恒定，在临界点之后开始第二个干燥阶段，其特征是溶剂蒸发速率下降。
一旦当湿的陶瓷膜分别离开流延头间隙和储料槽中的浆料面时，溶剂开始从它暴露的表面蒸发。随着液体体积的损失，这种效应伴随着浆料层在厚度方向的收缩。同时陶瓷颗粒在层中相互接近，直到固体颗粒互相接触以至于进一步靠拢变得很困难时，第一阶段才结束。以下三个连续的物理机制控制这一过程，其中最慢的步骤决定了干燥的速率：（1）浆料内部的液体移动到表面；（2）表面溶剂挥发；（3）蒸气从接近浆料表面的区域被带走。溶剂挥发速率下降的第二阶段在恒定速率的第一阶段后发生。当溶剂的弯液面退入坯体内部时，挥发过程就更多地由膜表面向内部转移。由于现在最慢的步骤是溶剂蒸气由液体的弯液面扩散到膜表面和热量传导到此面，所以干燥速率随着弯液面和表面距离不断增加而减小。
Briscoe等对水基流延成型陶瓷浆料的干燥动力学进行了研究。结果表明，干燥过程的第一阶段主要由干燥过程的温度、湿度和陶瓷膜的表面积决定，第二阶段的干燥速率由陶瓷膜的厚度决定，而且浆料的初始粘度与粘结剂的性质和含量对陶瓷膜的干燥过程影响不大。
水的挥发性较差，水基浆料在干燥时比有机浆料更容易产生开裂、卷曲、有机物及细小颗粒偏析导致的起皮现象等缺陷。因此，应根据坯片的厚度、固相体积分数、粘结剂及塑性剂等有机物的含量，精确控制温度、相对湿度及气流速度，使水分以较慢的速度蒸发。使坯体充分进行体积扩散，尽可能消除气孔，避免因局部收缩不均匀而导致卷曲变形或开裂。对于水基浆料，随着水分蒸发坯体会变得易碎，一般应使坯体在干燥后含水量保持在2～5（wt）。
5结语大规模集成电路的实现提供了广阔的前景，而且给工程陶瓷的宏观结构设计和微观结构设计提供了可能，为材料的性能优化提供了一条新的途径。水基流延成型由于其环境友好、成本低等优点正日益受到广泛地关注，虽然水基流延成型对工艺参数变化敏感，但是如果严格控制成型工艺的细节，如浆料组成、干燥过程、薄片厚度等，就可以保证产品的良好质量。因此，水基流延成型工艺具有更加广阔的应用前景。
