石英陶瓷的研究及應(yīng)用進(jìn)展

荊 富,王 磊

(中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西 朔州 036006)

石英陶瓷是一種新型、高純、耐高溫的石英材料，以熔融石英或石英玻璃為原料，經(jīng)過(guò)粉碎、成型、燒結(jié)等工藝制成的燒結(jié)體，它既保留了石英玻璃的諸多優(yōu)點(diǎn)，又可采用陶瓷的一些生產(chǎn)工藝。最早由美國(guó)Georgia理工學(xué)院在20世紀(jì)60年代研制成功并于1963年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。石英陶瓷具有熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、介電常數(shù)低、耐酸堿腐蝕性好、電絕緣性好、成本低等一系列優(yōu)異性質(zhì)。石英陶瓷在1100℃以下強(qiáng)度隨著溫度的升高而大大增加，室溫至1100℃其強(qiáng)度可增加33%。由于具有上述諸多優(yōu)良性能，故自問(wèn)世以來(lái)迅速在耐火材料和抗溫度激變的結(jié)構(gòu)材料中得到廣泛應(yīng)用，是一種很有前途的陶瓷材料。

1 石英陶瓷的應(yīng)用

1.1 鋼鐵冶金

在鑄鋼作業(yè)中，采用浸入式水口保護(hù)法澆注是解決連續(xù)鑄鋼板坯縱裂的一項(xiàng)關(guān)鍵措施，也是提高連續(xù)鑄鋼質(zhì)量的一項(xiàng)重要措施，由于浸入式水口所處的條件要求比較苛刻，使用中浸入式水口的頭部要插入鋼液和保護(hù)渣中，使水口內(nèi)外同時(shí)處于高溫受熱狀態(tài)，而水口另一部分則露在空氣中。石英陶瓷熱穩(wěn)定性好，能經(jīng)受鋼水沖刷，耐保護(hù)渣侵蝕以及熱導(dǎo)率低，是理想的替代材料。此外，在冶金行業(yè)中石英陶瓷爐底輥以其強(qiáng)度高、耐高溫、熱膨脹小、化學(xué)穩(wěn)定性好、不變形、表面光潔度高和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，成為傳統(tǒng)石墨碳套和陶瓷涂層輥的理想替代產(chǎn)品，可有效解決氧化和結(jié)瘤等問(wèn)題[1]。

1.2 浮法玻璃

在生產(chǎn)浮法玻璃過(guò)程中，錫槽過(guò)渡輥臺(tái)及退火窯用輥道是關(guān)鍵的部件，起承托和傳輸熱態(tài)玻璃板的作用。這些輥道直接接觸熱態(tài)玻璃，其材質(zhì)及性能的優(yōu)劣將直接影響到玻璃的板面質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)在這個(gè)部位大都采用耐熱鋼輥和石棉輥，但這兩種產(chǎn)品都存在其固有的缺陷而影響了玻璃質(zhì)量。耐熱鋼輥導(dǎo)熱率較高，使玻璃表面易附著氧化錫及雜物，不易清掃，容易造成玻璃下部表面劃傷，形成難以清晰的疵點(diǎn)，直接影響玻璃的板面質(zhì)量；石棉輥耐磨性差，并且還存在環(huán)保問(wèn)題，正在被逐漸淘汰。石英陶瓷輥具有熱導(dǎo)系數(shù)小、熱震穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、不易沾附錫灰及雜物等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在浮法玻璃的生產(chǎn)中[2]。

1.3 精密平臺(tái)

精密直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)中，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)受直線電機(jī)初級(jí)部件發(fā)熱影響最大，所以精密平臺(tái)應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小，對(duì)溫度變化不敏感的材料。由于石英陶瓷具有導(dǎo)熱系數(shù)低，使得熱量不易傳遞，升溫減緩；又由于較小的熱膨脹系數(shù)使得平臺(tái)熱變形較小，同時(shí)石英由熱膨脹引起的內(nèi)應(yīng)力及受室溫變化引起的變形遠(yuǎn)小于鋁、鋼和氧化鋁；石英陶瓷熱量傳遞速度慢，達(dá)到熱膨脹時(shí)間長(zhǎng)，因此，石英陶瓷是此類平臺(tái)比較理想的陶瓷材料[3]。

1.4 太陽(yáng)能

石英陶瓷坩堝是太陽(yáng)能電池用多晶硅鑄錠爐的關(guān)鍵部件，它作為裝載多晶硅原料的容器，在1500℃以上的高溫下連續(xù)工作50h以上，使之熔化、長(zhǎng)晶，然后用來(lái)制造太陽(yáng)能電池的多晶硅硅錠。由于其使用條件十分苛刻，對(duì)坩堝的純度、強(qiáng)度、外觀及內(nèi)在質(zhì)量、高溫性能、尺寸精度等都有十分嚴(yán)格的要求。石英陶瓷坩堝是目前不可替代的材料，由于是一次性使用，所以需求量巨大。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源緊缺的問(wèn)題日益顯現(xiàn)，在全球范圍內(nèi)掀起了一股開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的熱潮，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)每年以30%～40%的速度增長(zhǎng)，從而帶動(dòng)了多晶硅鑄錠爐的迅猛發(fā)展，對(duì)石英陶瓷坩堝的需求也與日俱增[4]。

1.5 航天和國(guó)防

石英陶瓷基復(fù)合材料具有高溫性能好、抗熱震穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、加工精度高、透波性能好及介電性能好等優(yōu)良性能已在航天上得到應(yīng)用[5]，在國(guó)防軍工領(lǐng)域是導(dǎo)彈用天線罩的主要材料之一[6]。當(dāng)導(dǎo)彈進(jìn)入稠密大氣層時(shí)，雖然溫度高于2500℃，但是因?yàn)檫M(jìn)入稠密大氣層的時(shí)間極短，以及石英陶瓷具有很高的高溫粘度，因此損壞速度總計(jì)只有0.025mm/s。在原子能工業(yè)中，作為在核燃料的基質(zhì)(SiO2-UO體系)和輻射屏蔽材料使用，石英陶瓷的某些性能還被用作射電望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)反射器使用，也是紅外線高質(zhì)量反射器應(yīng)用的首選材料。

2 石英陶瓷的成型技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)石英陶瓷普遍采用的成型工藝是注漿成型，其次還有蠟注成型、半干法成型、離心澆注成型、澆灌成型、石墨模熱壓成型與搗打成型等[7]。然而，上述的成型工藝普遍存在著一些缺點(diǎn)：如制品坯體結(jié)構(gòu)不均勻、性能可靠性差、僅限于形狀簡(jiǎn)單的制品、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、工藝條件難控制、效率低、成本較高等，難以適應(yīng)大批量工業(yè)化生產(chǎn)的需要，特別是一些用于特殊用途的石英陶瓷制品，因此，這些傳統(tǒng)的成型工藝已經(jīng)不能滿足其特殊用途的性能需求。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，石英陶瓷的新成型工藝不斷涌現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。目前，應(yīng)用較為成熟的新成型工藝主要有等靜壓成型[8]、振動(dòng)壓力注漿成型和凝膠注模成型[9]。

2.1 等靜壓成型

等靜壓成型技術(shù)是制備形狀復(fù)雜、高性能和高可靠性陶瓷較理想的成型方法，該成型方法是將粉末裝入塑性模具內(nèi)，直接放進(jìn)高壓容器缸體中，再用高壓泵將液體介質(zhì)壓入缸體，壓力將均等地作用于液體表面，并通過(guò)液體介質(zhì)，均等地作用在粉料模件的各個(gè)方向，使粉料致密化。這種方法，可任意改變塑性模具的形狀和尺寸，工藝靈活方便，適用性強(qiáng)，坯體在各向施壓均勻，壓制的坯體均勻，生坯密度和強(qiáng)度高，是可進(jìn)行生坯加工近尺寸成型的好方法之一，并且其生產(chǎn)周期短、效率高、適宜大批量工業(yè)化生產(chǎn)。雖然等靜壓技術(shù)比較成熟，但是由于熔融石英陶瓷料為剛性料，其可壓縮性低壓制時(shí)滑移較小，因此從這些來(lái)看熔融石英陶瓷用等靜壓成型制備也有很大的困難[8]。

2.2 振動(dòng)壓力注漿成型

振動(dòng)壓力注漿成型工藝是在傳統(tǒng)注漿成型工藝基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的。石英陶瓷料漿與傳統(tǒng)料漿相比具有流動(dòng)性差、觸變形強(qiáng)等特點(diǎn)，因而在成型大件、厚實(shí)制品時(shí)氣泡不易排除，易造成制品內(nèi)部存在缺陷；另外，長(zhǎng)時(shí)間吸漿還易造成顆粒偏析而使坯體密度和結(jié)構(gòu)不均勻。振動(dòng)壓力注漿成型工藝是在傳統(tǒng)注漿成型工藝基礎(chǔ)上引入振動(dòng)裝置，通過(guò)使料漿發(fā)生振動(dòng)作用來(lái)加速料漿中氣泡的排除，同時(shí)料漿的振動(dòng)還可使石英陶瓷顆粒發(fā)生重排，達(dá)到緊密堆積的效果，從而顯著提高坯體密度。振動(dòng)壓力注漿成型工藝在引入振動(dòng)裝置的同時(shí)又引入壓力裝置，以加快料漿中水分的排除，縮短吸漿時(shí)間，從而解決了顆粒偏析的問(wèn)題，減少了坯體內(nèi)部存在的缺陷，提高了坯體的密度和均勻性。振動(dòng)壓力注漿成型技術(shù)的關(guān)鍵是要制備出流動(dòng)性和懸浮性好的料漿，否則在振動(dòng)的過(guò)程中，陶瓷顆粒容易發(fā)生沉淀而造成坯體結(jié)構(gòu)不均勻[9-10]。

2.3 凝膠注模成型

凝膠注模成型工藝是20世紀(jì)90年代由美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Omatete等[11]研制開(kāi)發(fā)的一種新的陶瓷近尺寸成型技術(shù)。與傳統(tǒng)注漿成型依靠石膏模吸漿的原理不同，其思路是將傳統(tǒng)的注漿成型工藝與有機(jī)化學(xué)理論相結(jié)合，通過(guò)漿料內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)形成大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或陶瓷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以使?jié)踩敕强啄＞邇?nèi)的陶瓷泥漿快速凝固成陶瓷坯體。相對(duì)于注漿成型工藝而言，凝膠注模成型工藝生產(chǎn)周期短，制品的結(jié)構(gòu)和密度均勻，坯體的強(qiáng)度高，因而能夠制作形狀復(fù)雜的陶瓷部件。該工藝的另外一大優(yōu)勢(shì)是所需設(shè)備簡(jiǎn)單，投資很少。凝膠注模成型主要包括：注射成型、氣相輔助注射成型、直接凝固注模成型、溫度誘導(dǎo)成型、電泳沉積成型、注凝成型、壓濾成型和離心注漿成型等。該技術(shù)的應(yīng)用目前已較成熟，主要用來(lái)制作石英陶瓷導(dǎo)彈天線罩、太陽(yáng)能多晶硅鑄錠用石英陶瓷坩堝、玻璃窯爐用蓋板磚、料碗、勻料筒、閘板磚等石英陶瓷產(chǎn)品[12]。但凝膠注模成型技術(shù)中所使用的丙烯酰胺單體為神經(jīng)毒素，有關(guān)無(wú)毒或低毒的單體原料的研究正在進(jìn)行之中[13]。

3 石英陶瓷的燒結(jié)技術(shù)

燒結(jié)是石英陶瓷生產(chǎn)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它對(duì)石英陶瓷的物理化學(xué)性能有很大的影響。石英陶瓷燒結(jié)的關(guān)鍵問(wèn)題是保持材料的非晶態(tài)，即防止與杜絕非晶態(tài)SiO2在燒結(jié)時(shí)向方石英化。因此，石英陶瓷制品燒成的原則為：保證制品燒成后有足夠的強(qiáng)度；控制制品的析晶及變形。不同尺寸及形狀的制品應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定合理的燒成溫度和保溫時(shí)間，一般石英陶瓷的最高燒成溫度不超過(guò)1250℃，為避免析晶，900℃以上的高溫階段應(yīng)快燒快冷。目前，關(guān)于石英陶瓷的燒結(jié)技術(shù)主要有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)等[14]。

3.1 常壓燒結(jié)

常壓燒結(jié)又稱為普通燒結(jié)，指燒結(jié)過(guò)程中燒結(jié)坯體在無(wú)外加壓力的常壓下置于窯爐中，在熱能作用下坯體由粉末聚集體變成晶粒結(jié)合體，多孔體變成致密體。它是燒結(jié)工藝中最傳統(tǒng)、最簡(jiǎn)單、使用最廣泛的一種方法。

3.2 熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)是將干燥粉料充填入模型內(nèi)，再?gòu)膯屋S方向邊加壓邊加熱，使成型和燒結(jié)同時(shí)完成的一種燒結(jié)方法。熱壓燒結(jié)由于加熱加壓同時(shí)進(jìn)行，粉料處于熱塑性狀態(tài)，有助于顆粒的接觸擴(kuò)散、流動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程的進(jìn)行，因而成型壓力僅為冷壓的1/10；還能降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間，從而抵制晶粒長(zhǎng)大，得到晶粒細(xì)小、致密度高和機(jī)械、電學(xué)性能良好的產(chǎn)品。無(wú)需添加燒結(jié)助劑或成型助劑，可生產(chǎn)超高純度的陶瓷產(chǎn)品。

3.3 熱等靜壓燒結(jié)

熱等靜壓燒結(jié)法(HIP)是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)，加熱溫度通常為1000～2000℃，通過(guò)以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮?dú)鉃閭鲏航橘|(zhì)，工作壓力可達(dá)200MPa。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。故加工產(chǎn)品的致密度高、均勻性好、性能優(yōu)異。同時(shí)該技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點(diǎn)。

在石英陶瓷的常壓燒結(jié)過(guò)程中，當(dāng)燒結(jié)溫度低于1000℃時(shí)，坯體中主要發(fā)生球磨時(shí)形成的硅溶膠的脫水與分解，分解的產(chǎn)物是無(wú)定形的SiO2。由于石英陶瓷所用的原料純度很高，原料中堿金屬和堿土金屬的氧化物等低熔點(diǎn)氧化物的含量極少，不可能形成足以影響坯體燒結(jié)的低共熔點(diǎn)的液相，所以此時(shí)玻璃態(tài)的石英顆粒還未參與燒結(jié)，坯體結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化，強(qiáng)度較低。當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1000～1200℃時(shí)，盡管仍未出現(xiàn)液相來(lái)促進(jìn)燒結(jié)，但在此溫度下無(wú)定形SiO2的擴(kuò)散活化能較低，容易發(fā)生表面擴(kuò)散，從而使石英顆粒間形成頸部、相互間牢固結(jié)合，并且石英顆粒的非晶態(tài)不會(huì)受到破壞。因此，在該燒結(jié)溫度下，石英陶瓷坯體的體積收縮明顯、吸水率下降且強(qiáng)度較高。當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1200～1400℃時(shí)，在高溫的作用下，坯體中的非晶態(tài)石英顆粒開(kāi)始發(fā)生體擴(kuò)散而形成晶態(tài)方石英，并逐漸長(zhǎng)大，從而使石英陶瓷坯體的相組成發(fā)生變化，由單一的非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)與非晶態(tài)共存，這將直接導(dǎo)致石英陶瓷的強(qiáng)度下降和熱穩(wěn)定性降低[15]。

石英陶瓷熱壓燒結(jié)在比1200℃低的溫度就能獲得接近于理論密度的制品，而高溫等靜壓燒結(jié)在更低的溫度就已達(dá)到致密化。石英陶瓷的燒結(jié)為擴(kuò)散傳質(zhì)的固相燒結(jié)，而方石英化是燒結(jié)中的一個(gè)重大障礙。由于方石英晶體的結(jié)晶，坯體強(qiáng)度下降，熱膨脹急劇升高，使材料的優(yōu)良抗熱震性能喪失殆盡，所以必須將坯體開(kāi)始方石英化的溫度作為燒成的上限溫度。同時(shí)，為防止方石英化，宜采用快速升溫，急劇冷卻和盡量縮短高溫的保溫時(shí)間的燒成工藝[16]。

4 添加劑對(duì)石英陶瓷的影響

在石英陶瓷中，添加劑也可以認(rèn)為是起輔助作用的助劑。石英陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度與致密燒結(jié)程度成比例，加入添加劑形成玻璃添加物后可以得到致密的燒結(jié)體，機(jī)械強(qiáng)度普遍高于無(wú)添加物的石英陶瓷，在一定的添加物加入范圍，機(jī)械強(qiáng)度隨加入量的增加而提高。例如：引入適當(dāng)量的P2O5或B2O3后，在B2O3-SiO2系統(tǒng)中于450℃左右出現(xiàn)液相，在P2O5-SiO2系統(tǒng)中于980℃左右出現(xiàn)液相。試樣的燒結(jié)有了液相參與，加快了材料的擴(kuò)散傳質(zhì)，從而促進(jìn)材料的燒結(jié)，由此燒結(jié)后的材料耐壓強(qiáng)度、密度增大，顯氣孔率降低。

加入添加劑的目的包括：①改善陶瓷結(jié)合劑在一定溫度范圍內(nèi)粘度的變化速率，以保證在磨具燒制過(guò)程中的定型能力，避免由于粘度變化過(guò)快而導(dǎo)致的軟化變形。結(jié)合劑的流動(dòng)度也是一個(gè)重要指標(biāo)，要求結(jié)合劑從熔點(diǎn)到流動(dòng)溫度有一個(gè)過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)粘度降低不能過(guò)快，以避免因結(jié)合劑粘度降低過(guò)快導(dǎo)致磨具變形。磨具燒成溫度下結(jié)合劑具有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)度會(huì)提高磨具的強(qiáng)度，延長(zhǎng)磨具的使用壽命；②使陶瓷材料既具有陶瓷的高自銳性又兼有金屬的高韌性，以便達(dá)到高硬度、高精度、高速度的磨削要求。復(fù)合結(jié)合劑的熔點(diǎn)關(guān)系到磨具的燒成制度及磨削質(zhì)量。

4.1 高熔點(diǎn)氧化物添加劑

周玉等[17]研究了A12O3、A12O3+La2O3添加劑對(duì)石英玻璃粉末析晶特性的影響，單獨(dú)添加La2O3表現(xiàn)出一定的促進(jìn)石英玻璃粉末析晶，添加1%～5%含量的A12O3、A12O3+La2O3均表現(xiàn)出一定的抑制析晶的作用，主要作用機(jī)理為通過(guò)溶入石英玻璃粉體表面層，增加表面層的網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度、雜化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或提高體系的粘度。但在不同溫度下，它們抑制析晶的能力會(huì)有所起伏。郝洪順等[8]將0.5% Cr2O3加入到石英中，研究了水分含量、粒徑分布、粘合劑的加入量及燒成溫度對(duì)制品的成型性能、體積密度、彎曲強(qiáng)度和顯氣孔率等性能的影響。結(jié)果表明：最高燒成溫度為1250℃時(shí)，能成功制備出性能優(yōu)異的熔融石英陶瓷天線罩。但是方石英析晶量較多。

李友勝等[18]的研究結(jié)果表明：添加SiC和Y2O3等對(duì)石英陶瓷的致密燒結(jié)影響較小，主要是這些氧化物和石英的共熔溫度過(guò)高，難以增加液相的原因。而H3BO3和B4C均能有效地促進(jìn)石英陶瓷的致密燒結(jié)，加入相同量的H3BO3和B4C時(shí)，B4C對(duì)石英陶瓷燒結(jié)性能的促進(jìn)作用明顯強(qiáng)于H3BO3，H3BO3的高溫分解產(chǎn)物和B4C的氧化產(chǎn)物均為B2O3，B2O3和石英的低共熔溫度為470℃，在高溫下B2O3能增加材料中液相的生成量，加快介質(zhì)的擴(kuò)散速率，從而促進(jìn)石英陶瓷的燒結(jié)。因此，B4C是石英陶瓷比較有效的燒結(jié)助劑。隨著B(niǎo)4C加入量的增加，石英陶瓷的體積密度增大，顯氣孔率顯著降低，抗壓強(qiáng)度提高。Handke等[19]研究了SiO2-AlPO4體系，結(jié)果表明：AlPO4(可以看成是Al2O3和P2O5)可與熔融石英固溶，但是助燒效果也不好。Jean等[20]研究了Ga2O3與含鈉鉛硼硅玻璃生成含鎵鈉的硼硅酸鹽玻璃界面相，抑制了方石英的析出；Ga2O3與紅熱石英玻璃反應(yīng)形成玻璃體，但冷卻時(shí)沒(méi)有新化合物生成。

4.2 低熔點(diǎn)氧化物添加劑

楊德安等[21]以熔融石英為原料，研究了H3BO3和P2O5添加劑對(duì)石英陶瓷的燒結(jié)和析晶的影響。結(jié)果表明：在模壓成型工藝下加一定量的H3BO3或P2O5有助于試樣的燒結(jié)，且添加劑在一定溫度范圍內(nèi)可抑制石英玻璃的析晶。其中，2%～5%的P2O5或1%～5%的H3BO3能促進(jìn)樣品的燒結(jié)性能；H3BO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～2%，燒結(jié)溫度不宜過(guò)高；H3BO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～5%，適合在較高溫度下燒結(jié)。

王金波[22]從顯微結(jié)構(gòu)方面研究了硼酸對(duì)熔融石英燒結(jié)及其晶化的影響。結(jié)果表明：少量(1%～3%)硼酸促進(jìn)熔融石英陶瓷的致密化，但將硼酸加入到熔融石英陶瓷中，明顯促進(jìn)析晶，方石英含量隨加入量從0.5%到1.5%逐漸增多。南守宇等[23]以熔融石英為原料，五氧化二磷、氧化鈦、氧化鋁、氮化硅等為添加劑，壓力成型制樣，試樣在1200、1300、1400、1500℃四個(gè)溫度下保溫1h燒成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：添加劑氧化鋁、氮化硅的可以降低石英陶瓷中方石英相的含量。添加劑氧化鈦、氮化硅的熔融石英試樣一方面促進(jìn)樣品的燒結(jié)，另一方面增強(qiáng)了材料的力學(xué)性能。添加劑五氧化二磷使得樣品的燒結(jié)度下降，同時(shí)還促進(jìn)了方石英化轉(zhuǎn)變。

4.3 非氧化物添加劑

Jia等[24]在N2氣氛熱壓燒結(jié)法制備BN顆粒增強(qiáng)熔融石英，樣品具有較好的燒結(jié)性能和抗熱震性，燒蝕表面溫度為2200～2400℃，強(qiáng)度、斷裂韌性和耐燒蝕性能明顯提高，但是需要較多加入的BN量較多，稀釋了熔融石英的優(yōu)良性能，而且可能會(huì)帶來(lái)兩相潛在的熱不匹配問(wèn)題。劉恒波等[25]通過(guò)石英陶瓷中添加不同分量的BN，采用普通干壓成型，經(jīng)預(yù)燒，燒結(jié)制備出SiO2/BN復(fù)相陶瓷，其力學(xué)性能有了較大提高；相對(duì)SiO2陶瓷其抗壓強(qiáng)度提高了127%，抗折強(qiáng)度提高了200%。利用XRD、SEM等手段對(duì)其微觀行為進(jìn)行了分析觀測(cè)，結(jié)果表明，BN能有效促進(jìn)熔融石英中少量析出的方石英轉(zhuǎn)化為磷石英，而且抑制石英晶粒長(zhǎng)大，減少了坯體的變形和開(kāi)裂。

王鋒等[26]研究了高硅氧增強(qiáng)磷酸鋁系復(fù)合材料的力學(xué)性能及P/Al摩爾比、成型壓力和測(cè)試頻率對(duì)其介電性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)P/Al摩爾比＝l時(shí)，材料的力學(xué)性能最佳，其彎曲強(qiáng)度達(dá)到107MPa；當(dāng)P/Al摩爾比＜1.1，使用頻率在3MHz以上時(shí)，材料體系具有良好的介電性能，介電常數(shù)＜4.1，介電損耗＜0.03；提高成型壓力將使介電常數(shù)略微上升；介電性能的頻率特性表明極化弛豫普適關(guān)系適用于這一材料體系。盡管很多添加劑都能在石英陶瓷燒結(jié)過(guò)程中增加液相含量，從而促進(jìn)石英陶瓷的燒結(jié)，但是此過(guò)程中常伴隨著較大的體積膨脹，而石英陶瓷本身的燒結(jié)收縮非常小，材料中容易形成應(yīng)力，造成缺陷，使石英陶瓷的強(qiáng)度大大降低。為此，在選擇添加劑時(shí)，其熱膨脹系數(shù)應(yīng)與石英陶瓷相匹配，并且最佳用量一般為1.5%～3%。

5 石英陶瓷的發(fā)展前景

目前，國(guó)外生產(chǎn)石英陶瓷制品的廠家主要有美國(guó)、法國(guó)、日本及俄羅斯的幾家公司。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品存在體積密度低、顯氣孔率高、結(jié)構(gòu)疏松、致密性和均勻性差等問(wèn)題。隨著國(guó)外各種石英陶瓷新產(chǎn)品不斷涌入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，傳統(tǒng)產(chǎn)品已逐漸不能滿足有關(guān)行業(yè)的需求。進(jìn)口產(chǎn)品質(zhì)量雖好但價(jià)格昂貴，由此生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)的石英陶瓷產(chǎn)品來(lái)替代進(jìn)口產(chǎn)品具有廣闊的前景。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展及石英陶瓷制備技術(shù)的不斷完善和提高，以及石英陶瓷研究的不斷深入，石英陶瓷必將被更多的行業(yè)和領(lǐng)域所認(rèn)識(shí)和應(yīng)用。

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