氧化铝陶瓷注射成型产业发展现状与展望

赵靖 王玺 聂洪波 董广成

摘 要：氧化铝陶瓷注射成型是一种制备陶瓷零件的新型技术。目前已得到良好的产业应用。本文论述了该技术最新的国内外发展状况，分析了我国在陶瓷CIM领域面临的市场问题，认为当前氧化铝陶瓷注射成型产业面临的主要挑战是创新和行业融合性不足，产业利润率提升慢，材料种类单一。展望未来，应建立“应用拓展、产业发展、行业联合”的思路，以推进氧化铝陶瓷注射成型产業的发展，为建设创新型国家提供有力支持。

关键词：氧化铝陶瓷;注射成型;产业发展

1 氧化铝陶瓷注射成型概述

陶瓷通常是经过制粉、成型、烧结等工艺制成，从其应用来看，可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。氧化铝是结构陶瓷的主力军，在陶瓷领域内有着重要的地位。氧化铝（尤其是α-Al2O3）的导热性高、硬度高、电阻率大、耐腐蚀、耐高温，且具有很强的抗氧化性。以纯的α-Al2O3含量多少，依次衍生出了一个大系列的结构陶瓷种类，包括刚玉瓷、95瓷、85瓷、莫来石瓷等。

氧化铝陶瓷材料低塑性的特点决定了其成型工艺中，是可以近净成型方式进行的。近年来，氧化铝陶瓷应用领域不断增加，对于陶瓷件的复杂度、精密度等方面提出了更严苛的要求。传统的氧化铝陶瓷成型技术在匹配这些需求时显得力不从心。粉末注射成型（Powder Injection Molding，PIM）是上世纪美国成形物理公司研究出的一种新型技术[1]，它将塑料的注塑成型和粉末冶金技术完美的结合，能够获得尺寸精密、形状复杂度高的陶瓷零件。经过烧结后，一般无需进行后处理或仅需极少的后处理工艺，其尺寸公差可达±0.1%左右，且与塑料注塑过程类似，生胚成型时所产生的注塑管道等材料可重复利用，有利的保证了材料的高回收率。

从使用材料来讲，PIM可细分成金属注射成型（Metal Injection Molding，MIM）和陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding，CIM）两类。氧化铝陶瓷注射成型属于CIM，其基本工艺过程为将氧化铝粉和其他无机材料粉末混合后，添加一定量的粘结剂，一般为石蜡、聚乙二醇、聚醛树脂[2]等。为使这些陶瓷粉末具备塑料的可注塑性，粘结剂的添加量远远超过常规干压成型等方法所需要的粘结剂含量。粘结剂与氧化铝陶瓷粉体均质后进入特制的陶瓷注塑机进行成型，然后再用各种方式脱脂、烧结，最后经加工制成产品。其工艺流程图如图1所示。

经过几十年的发展，氧化铝陶瓷注射成型技术已经展示了重要的价值地位和多样化的应用前景，是先进制造和智能制造的一个发展方向。为抢占疫情防控常态下的发展机遇，满足3C、家用电器、汽车、医疗等行业的生产需求，了解氧化铝CIM技术的现状，探讨其产业未来发展的方向，开发新型的CIM技术对建设创新型国家、实现现代化具有深刻的意义。

2 氧化铝CIM产业现状

2.1 国内外产业规模增加

现在，氧化铝CIM已经发展成具有很高竞争力的、制造复杂小型零件的成形方法，2002年全球从事氧化铝的注射成形的公司是70家。2010年扩大到130家左右，2015年统计氧化铝CIM的企业已经超过200家，全球有二十几个公司提供喂料。整个氧化铝CIM行业的从业人员达到三千多人。其中，纯刚玉氧化铝材料CIM占了总利润的80%以上[3-6]。图2是2010年和2019年全球氧化铝CIM销售额的分布图。从图上可以看出，近年来，亚洲的发展速度非常迅速，无论是从市场占有率、产品外形还是应用行业来讲，都有了明显的进步。

我国氧化铝CIM技术发展较快，产业规模稳步增长，上下游的产业链条正在趋于完善，形成了较好的产业格局，并逐步建立了完整的氧化铝CIM生态体系。根据中国粉末冶金协会产业联盟的统计，在2015-2019年五年间，我国从事PIM生产的企业规模增速超过35%[7-9]，这一速度超过了世界平均水平。在氧化铝CIM方面，我国的本土企业也有了一定量的成长，涌现出浙江景鹏、山东鹏程等一批龙头企业[10]，业务量和销售额也在逐年进步。

2.2 应用领域不断拓展

进入21世纪以来，粉末注射成型的产业化大幅增长。应用领域从最开始的航空工业，军工业等方面逐渐渗透到民用领域，诸如汽车、电子、医疗、通讯等等。尤其是近五年来，随着3C数码的需求量持续增加，在这些行业（尤其是手机产业）里的氧化铝CIM应用也取得了长足进步。例如，小米手机的几款新型5G手机产品的后壳就采用了氧化铝注射成型制造。如表1所示，现在氧化铝CIM零件在很多领域如医疗、通讯、机加工、武器装备等都有很好的应用空间[11-13]。

3 问题与挑战

从当前氧化铝CIM发展所取得的成绩来看，我国氧化铝CIM行业的规模是值得肯定的，但与欧美日等发达地区和国家相比，在基础理论、粘结剂体系、脱脂关键工艺等方面仍存在较大的差距，因此产业发展所面临的挑战也十分显著。从氧化铝CIM角度分析，我国的氧化铝陶瓷注射成型的核心装备（如陶瓷注射成型机等）和关键元器件（如耐磨螺杆等）还需要进口;一些先进的粘结剂体系和脱脂工艺的工业应用主要在欧美国家进行开发。这些国家和地区借助资金、人才和技术优势，设置了各种技术壁垒。我国在氧化铝CIM产业发展面临的问题和挑战主要包括以下几个方面。

3.1行业融合性不足

粉末注射成型的一些关键性技术基本都是欧美等国家率先开展起来的。从陶瓷产量来讲，我国一直稳居世界前列，但是关键核心的工艺却一直是跟随国外的先进技术。以氧化铝CIM流程中最关键的脱脂工艺技术为例，传统的氧化铝陶瓷CIM的热脱脂速率慢，所需时间长且最终烧结体容易产生变形、气孔等缺陷，导致了CIM的氧化铝器件很难在厚壁零件上取得进展。因此国外发展出来体积性加热、加热过程快且均匀的微波加热脱脂技术[14]、时间缩短一半以上的水溶性脱脂技术[15]、流变性能更高的凝胶脱脂技术[16]等，而国内企业基本上则会在这些技术的基础上进行修补完善，没有完整的自我创新。

近几年德国著名的化工公司BASF[17]，在CIM行业开发了一鸣惊人的催化脱脂技术。催化脱脂的过程是一个固相转化为气相的过程，从而避免了热脱脂过程中由于出现了液相而导致的生胚软化，也避免了由于重力、内应力影响而产生的烧结体变形和缺陷，而其最大的优势在于脱脂速度是目前已知所有脱脂工艺中最高的。催化脱脂的原理是利用硝酸或草酸做催化剂，把聚甲醛等有机载体大分子分解为甲醛，甲醛迅速在胚体中扩散完成脱除[18]。表2是催化脱脂技术和其他几种脱脂技术的工艺优缺点对比表。BASF公司在推广该技术时甚至将氧化铝陶瓷注射成型后的生胚制成了可以弹跳的球体，以证明其生胚的力学强度性能。与此同时，德国PIM行业两大制造商阿博格（Arburg）注塑机公司和克莱默（Cremer）热处理设备公司，携手BASF共同成立了行业的A.B.C联盟[19-21]，在氧化铝CIM产业中，涵盖了从原料、注塑到连续烧结的全过程。

但是BASF的产品已经申请了专利保护，并将这种以聚醛树脂（POM）为粘结剂体系的一大类材料（包括多种金属材料和陶瓷材料）命名为Catamold。因此国内企业如果想使用这种材料进行氧化铝CIM的生产，只能花高价购买此材料或支付不菲的专利使用费用。这个技术成本远远超过了氧化铝陶瓷的生产成本，甚至超过了成品价格。这给我国的科技人员和生产企业一个警示，必须发展我国独立的创新技术支撑氧化铝CIM产业的发展，并成立行业内联盟，确保团队作战，优势互补，达到技术领先的目的。

3.2 产业利润率提升较慢

从国内来看，主要的氧化铝陶瓷CIM公司还是分布在长三角，珠三角地区。这是由于这些地区的上游原材料供应商和下游应用企业资源充足。其余地区如华北、陕西，河南，两湖地区也有部分厂商，但规模都不大[22-23]。而如果没有这些便利的地理位置优势，氧化铝陶瓷的注射成型产业很难得到开展，说明其产业利润率较低。从氧化铝陶瓷的CIM工艺中可以看出，脱脂时间长、能耗高、产品生产周期长等因素都制约产品利润的提升。因此必须从技术上进行革新，达到更好的市场竞争力。图3是厦门某企业在开展前期调研时，笔者根据其生产的场地、人工、能源、产品（95瓷管）等因素，所进行的CIM项目生产可行性分析。分为自制物料和外购物料两种情况。从图3中可以看出，若采用BASF生产的POM基注塑料，则其成本的72%将会被原材料所占据，因此根本无法实现市场化。只有提升了自制物料的技术水平，才可能使产品的生产成本下降，并具备与其他氧化铝成型生产方式争夺市场的能力。

2.3 材料種类相对单一

尽管氧化铝陶瓷产品是一个庞大的家族，但从CIM行业看，目前行业领先者并不突出。BASF虽然一直在大力推广其Catamold系列材料，但由于价格较高，未能有大范围的普及。阿博格注塑机也成立了专门用于CIM机型的研发中心[24]，同样受制于价格和生产效率，推进速度缓慢。现阶段氧化铝CIM的产业化主要是由99瓷或刚玉的CIM陶瓷产品构成，约占整个氧化铝CIM行业销售额的95%以上[25]。这是因为刚玉或99瓷产品附加值较高，对于复杂产品来说有一定的利润率。但是其他氧化铝陶瓷材料的CIM产业还处于一个需要提升的阶段。尤其是一些非刚玉瓷的器件，例如95瓷、85瓷甚至75瓷等，其产品应用领域十分广泛，产量也位居结构陶瓷之首，却因为生产成本过高而使这些材料的CIM技术无法进入市场。因此，一定要大力发展新的CIM工艺，使成本、能耗和生产周期进一步显著降低，才能使氧化铝陶瓷总体的CIM产业有明显提升。

4 结论与展望

我国已进入十四五时期，在这个伟大的年代，科技人员要坚持创新的核心地位，并竖立科技自立自强的信念。智能制造技术和先进无机非金属材料技术都是十四五规划的科技重点发展方向。从未来的发展趋势来看，尽管近期受到了新冠疫情的影响，产业的扩展出现一定程度的减缓[26]，但是整体还是呈现了良好的态势。在氧化铝陶瓷的CIM产业发展方面，应进一步加强基础理论研究，建立创新工艺，降低成本、提高质量。要加强在氧化铝陶瓷行业的CIM材料体系发展，重点发展目前用量最多的95瓷、85瓷等系列产品，使氧化铝的CIM产业进入高速发展期，缩短甚至赶超欧美日等发达国家。同时，利用已经积累的多行业经验，重点革新和升级我国的特色装备，打破国外设置的重重技术壁垒，推动高性能和高精密度的氧化铝CIM工艺与装备及其配套技术的创新性发展。

氧化铝陶瓷注射成型技术凭借其更高的材料利用率，更灵活的制造复杂外形产品等优势，对其他氧化铝陶瓷成型工艺的替代作用越来越强，未来的应用领域也将越来越广。当前，全球粉末冶金技术和注塑技术的发展日趋成熟，技术和应用方面要不断推陈出新，抓住新的应用市场。总体而言，要把握“应用拓展、产业发展、技术创新”的思路。应用拓展方面需结合氧化铝CIM工艺特点进行产品设计和优化，优先发展复杂零件需求较多的市场，如电子、医疗、通讯等行业;产业发展要结合氧化铝CIM设备和装备的特点，提高氧化铝CIM批量生产能力，建立原料到市场的完整的产业生态环境，培育一批具有国际竞争力的领先科研团队和生产企业;技术创新方面，要力求完善氧化铝陶瓷CIM的行业标准，结合云制造、大数据、物联网等新兴技术及其他基于工业4.0的智能集成系统，促进CIM材料、设备和技术的全面革新。随着疫情后期经济回暖，3C工业、新能源产业和汽车工业等领域的快速发展，氧化铝陶瓷注射成型产业定将迎来更广阔的市场。

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