アルミナ セラミックは、その高硬度、高温耐性、耐食性、優れた電気絶縁性により、航空宇宙、電子実装、医療機器、耐摩耗部品などのハイエンド製造分野で広く使用されています。{0}{1}これらの用途では、成形プロセスはセラミックの最終的な性能、寸法精度、信頼性を決定する重要なステップです。成形とは、アルミナ粉末を特定の形状とサイズの素地に調製するプロセスを指します。その後の乾燥または焼結中の変形や亀裂を避けるために、グリーンボディは可能な限り高い密度と良好な均一性を有することが必要です。
アルミナセラミックスの成形方法の分類
セラミック成形法はブランクの流動特性により乾式成形と湿式成形に分類でき、湿式成形はさらに塑性成形とコロイダル成形に分けられます。
乾式成形
乾式成形では、ブランクには水がほとんどまたはまったく含まれておらず (6% 未満)、他の結合剤や潤滑剤の含有量は通常 1% ～ 2% を超えません。このプロセスには、粉末を型に入れ、外部から機械的な力を加えて粉末を成形することが含まれます。セラミック素地はセラミック粒子間の摩擦によって結合され、特定のサイズと形状を維持します。グリーンボディはブランク、液相（バインダー）、空気からなる複合系です。
01 ドライプレス
乾式プレス法は、粉体に水または結合剤を加えて顆粒を形成し、造粒した粉体を型に入れて圧力を加えて一定の強度と形状の成形体を成形する方法です。乾式プレスの利点には、単純なプロセス、簡単な操作、大規模な工業生産への適合性、高いグリーン密度、焼結製品の収縮が小さいことが含まれます。-ただし、乾式プレスでは一軸プレスが使用されるため、グリーン ボディの密度の不均一性は顕著になり、これはサンプルの厚さが増加するにつれてより顕著になります。-また、粉末調製時に粉末中の凝集物を除去することができないため、ファインセラミックスの製造が困難となる。
02 静水圧プレス
静水圧プレスでは、粉末を変形可能なゴム型に入れ、気体または液体の媒体を介して異なる軸から均等な圧力を加えて部品を形成します。乾式プレスと比較して、静水圧プレスは多軸プレスを使用するため、乾式プレス成形体の密度の不均一性の問題が解決され、粉末粒子の移動距離が短縮され、それにより成形速度が向上します。しかし、静水圧プレスには、設備コストが高い、メンテナンスが複雑である、欠陥（表面の凹凸、圧縮亀裂など）が発生しやすいなどの欠点があります。大型製品の場合、静水圧プレスでは「象の足」、つまり外側から内側への密度勾配が発生する傾向があります。現在、中国で静水圧プレス法により生産されるアルミナセラミックスは、主にセラミックレドームや高周波端子の絶縁用セラミックスリーブ等に使用されています。
従来の湿式成形
乾式成形と比較して、湿式成形は粉末の凝集を回避し、グリーンボディの欠陥を低減または排除することができ、セラミック製品の信頼性を向上させ、ファインセラミックまたはセラミックフィルムを製造するための信頼できるルートを提供します。湿式成形には一般に次のステップが含まれます。(1) セラミック粉末の合成または混合。 （２）セラミックスラリーの調製。 （３）スラリーの固化。 （４）乾燥して溶媒を除去する。 （５）焼結してセラミックスを得る。湿式成形のポイントは、セラミックスラリーの調製と成形体の乾燥です。
01 スリップキャスティング
スリップキャスティングでは、液体媒体中にセラミック粉末を均一に分散させてセラミックスラリーを形成し、次にそのスラリーを石膏型に流し込みます。石膏型の毛細管力によってスラリーから溶媒が吸収され、セラミックが固化して、特定の形状とサイズの素地が形成されます。スリップキャスティングでは、スラリーに優れた流動性と安定性が求められます。さらに、成形型は、素地からの液体媒体の除去を容易にするために良好な透過性を備えていなければなりません。スリップキャスティングは、プロセスが簡単で、生産コストが低く、プロセス制御が容易であるなどの利点があります。しかし、成形時間が長く、グリーン密度や強度が低く、割れやピンホールなどの欠陥が発生しやすい。スリップキャスティングに基づいて、研究者は遠心スリップキャスティング、加圧スリップキャスティング、フィルタープレスなどの改良された方法を開発しました。
02 テープキャスティング
テープキャスティングに使用されるセラミック スラリーは、セラミック粉末、可塑剤、分散剤、溶媒の粘稠で流動性の低い混合物です。脱気後のスラリーをテープキャスティング機に置き、ドクターブレードでキャリアテープ上に一定の厚みに広げ、乾燥させ、剥離して薄膜を形成します。次に、製品の寸法に従ってグリーンボディが機械加工されます。テープキャスティング用のスラリーは、凝集物や未溶解のバインダーのないセラミック粉末の均一な分散を必要とします。グリーンボディの準備中に、テープキャスティングでは不均一な厚さ、粗い表面、傷、欠陥などの問題が発生しやすくなります。テープキャスティングは主に薄いセラミックプレートの製造に使用され、集積回路基板、基板用の基板材料、コンデンサ、低電圧バリスタなどに広く応用されています。
新しいコロイド形成プロセス
コロイド成形とは、セラミック粉末を溶媒に均一に分散させて高固形分、低粘度のセラミックスラリーを作り、これを型に流し込み、さまざまな方法で固化し、一定の形状と大きさの成形体を得る方法です。近年、このような成形方法は大きく進歩し、ゲル鋳造、直接凝固鋳造、自然凝固鋳造などのいくつかの派生プロセスが誕生しました。
01 ゲルキャスティング
ゲルキャスティングは、従来の湿式成形とポリマー化学を組み合わせたものです。有機モノマーは特定の条件下で重合して三次元ポリマーネットワークを形成します。これによりセラミック粒子と溶媒分子がネットワーク内に閉じ込められ、セラミックスラリーが凝固してグリーンボディが形成されます。この方法は、従来の湿式成形（スリップキャスティング、射出成形）の利点を継承するだけでなく、それらの問題点を大幅に克服し、実用的に価値のあるセラミック成形プロセスとなっています。
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50vol.%）でありながら低粘度のセラミックスラリーです。スラリーの流動性は、主に溶媒中での粉末の分散性と安定性によって決まります。これは、適切な分散剤の選択とスラリーの pH の制御によって実現できます。もう 1 つの課題は、スラリーの凝固を制御することです。選択した有機モノマーと架橋剤の重合条件は、容易に制御できる必要があります。グリーンボディ中の有機含有量はできる限り低くなければならず、得られるグリーンボディは高い強度を有する必要があります。ゲルキャスティングにおける有機添加量は一般に 5 wt.% 未満であるため、個別のバインダー燃焼ステップは必要ありません。得られた成形体は、強度が高く、組織が均一である。ゲルキャスティングには、ニアネットシェイプ成形、複雑な形状の製品の製造能力、大型製品の製造能力などの利点があります。
02 直接凝固鋳造
直接凝固鋳造は、ゲル鋳造をベースに開発された新しいセラミック成形技術です。酵素触媒作用、セラミックスラリーのpH制御、または電解質濃度制御などの方法を使用して、セラミック粒子間の二重層反発を調整し、セラミックスラリーの懸濁安定性を不安定にし、セラミック粒子を現場で凝固させてグリーンボディを形成します。液固変換のメカニズムには、ファンデルワールス引力と二重層によって生成される静電反発力の調整が含まれます。ファンデルワールス力と静電反発の大きさを変えることによって、スラリーの凝固が制御されます。ファンデルワールス引力が優勢な場合、スラリーは凝固する傾向があります。静電反発力が支配的になると、スラリーは分散する傾向があります。直接凝固鋳造用のスラリーの固形分含有量は、スラリーの pH を調整することによって固化を達成できるように、55 体積％以上である必要があります。凝固条件は容易に制御可能であり、達成可能です。直接凝固鋳造では、高密度、良好な均一性、低有機含有量、そして複雑な形状の製品を形成する能力を備えた素地が生成されます。しかし、プロセスは複雑で、グリーン強度は比較的低く、この方法は普遍性に欠けています。
03 自然凝固鋳造
自然凝固鋳造は、2011 年に上海陶磁器研究所によって開発された新しいセラミック成形プロセスです。これは、セラミック素地を製造するための分散剤と結合剤の両方として水溶性イソブチレンベースの共重合体を使用します。自発凝固鋳造は、スラリーの調製、成形方法、および素地特性においてゲル鋳造に似ています。違いは、自然凝固鋳造では、水溶性イソブチレン系共重合体が分散剤と結合剤の両方として機能し、長い分子鎖による架橋によって固化を達成することです。対照的に、ゲルキャスティングでは、モノマー分子と架橋剤の重合によって固化を実現し、セラミック粒子を捕捉する三次元ネットワークを形成します。自然凝固鋳造の利点には、有機含有量が低い、室温で固化する、操作が簡単、製造コストが低いなどがあります。