中國粉體網(wǎng)訊 熔融石英陶瓷是一種以熔融石英粉體或石英玻璃為原料，采用粉碎、成型、燒結(jié)等陶瓷生產(chǎn)工藝制備的均質(zhì)陶瓷材料。熔融石英陶瓷最早是由美國于20世紀(jì)初開發(fā)成功并于1963年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
熔融石英陶瓷坩堝示意圖
它具有石英玻璃的許多優(yōu)良性質(zhì)(如熱膨脹系數(shù)小、熱震穩(wěn)定性好、電性能好、耐化學(xué)侵蝕性好等)。還具有石英玻璃不具有的其他優(yōu)良性質(zhì)。因此熔融石英陶瓷一經(jīng)研發(fā)出來就大規(guī)模用于火箭、導(dǎo)彈、玻璃等多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域。
時(shí)至今日，熔融石英已經(jīng)成為超音速導(dǎo)彈天線罩的主要材料，如美國“愛國者”、“潘興II”、“Sam-D”、俄羅斯的“C-300”、意大利的“Aspide”等導(dǎo)彈天線罩均使用熔融石英陶瓷。我國也有多個型號的導(dǎo)彈采用了熔融石英陶瓷天線罩。
美國Ceradyne公司生產(chǎn)的熔融石英陶瓷天線罩
熔融石英陶瓷的性能特點(diǎn)
熔融石英陶瓷具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)較小的熱膨脹系數(shù)
在室溫到800℃之間，純石英陶瓷體系的熱膨脹系數(shù)為0.54×10-6/℃，與石英玻璃的熱膨脹系數(shù)相同，因此具有良好的體積穩(wěn)定性、熱震穩(wěn)定性和抗高溫蠕變性，使其能夠在1000℃與20℃空氣或水之間，冷熱交換次數(shù)大于20次。
(2)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定
石英陶瓷可以與鹽酸、硫酸、硝酸等三大強(qiáng)酸長期直接接觸而不發(fā)生任何化學(xué)變化；其次，石英陶瓷也不與鋰、鈉、鉀、鈾等腐蝕性金屬熔體發(fā)生反應(yīng)；最后，石英陶瓷還可用耐高溫玻璃液體腐蝕。
(3)穩(wěn)定的熱導(dǎo)率
石英陶瓷的熱導(dǎo)率很低，并且在室溫到1100℃范圍內(nèi)幾乎不變。
(4)優(yōu)越的高溫力學(xué)性能
當(dāng)溫度達(dá)到1000℃時(shí)，熔融石英陶瓷的彎曲強(qiáng)度等物理力學(xué)性能隨溫度的升高而增加，其增加值高達(dá)33%。這一特征與其它陶瓷不同，主要原因是熔融石英陶瓷隨溫度升高其塑性增加脆性減小，這一特性有利于熔融石英陶瓷在高溫下的應(yīng)用。
(5)坯體干燥、燒成收縮率小
熔融石英陶瓷干燥、燒成收縮率一般小于5%，因此利于制備大尺寸制品。
(6)良好的介電性能
熔融石英陶瓷介電常數(shù)小，介電損耗小，而且介電常數(shù)與介電損耗角正切值隨溫度的變化都遠(yuǎn)低于其它高溫陶瓷，可以滿足對雷達(dá)波衰減小和畸變小的要求，是導(dǎo)彈和雷達(dá)天線罩的理想材料。
(7)良好的抗核輻射性能
熔融石英陶瓷是非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有較小的熱膨脹系數(shù)，因此在輻射條件下具有相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，不像其它材料都將轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷з|(zhì)結(jié)構(gòu)，這一特性使得其廣泛應(yīng)用于原子能工業(yè)及防輻射實(shí)驗(yàn)室。
熔融石英陶瓷的制備技術(shù)
目前，熔融石英陶瓷的成型工藝有注漿成型、注凝成型、等靜壓成型、離心澆注成型、澆灌成型、蠟注成型、半干法成型、熱壓成型等，其中工業(yè)上最常用的是注漿成型和注凝成型。
注漿成型：注漿成型是將熔融石英陶瓷顆粒懸浮于水中制成漿料，然后注入石膏模具中，經(jīng)自然或強(qiáng)制干燥后，即可取出得到素坯。影響注漿成型的因素有很多，主要有漿料粘度、模具材質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及注漿工藝。工藝過程包括漿料制備、模具制備以及注漿。
注漿成型示意圖
注漿成型工藝生產(chǎn)效率高，適合于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。但是，由于石英陶瓷泥漿與傳統(tǒng)泥漿相比具有固相含量高、觸變性強(qiáng)、流動性和懸浮性差等特點(diǎn)，在注漿成形大尺寸或?qū)嵭闹破窌r(shí)，工藝條件較為苛刻。
注凝成型：其為建立在傳統(tǒng)注漿成型的基礎(chǔ)上衍變發(fā)展起來新型技術(shù)，20世紀(jì)90年代由美國橡樹嶺國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Omatete等提出并研發(fā)，其將傳統(tǒng)的成型工藝與有機(jī)化學(xué)理論完美的結(jié)合，其是采用凝膠體系中聚合反應(yīng)形成高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)把陶瓷粉體原位固化定型，所以又稱凝膠注模成型。
此工藝設(shè)備簡單、坯體強(qiáng)度高、收縮小、易制造復(fù)雜形狀的熔融石英陶瓷產(chǎn)品，與注漿成型相比成型效率更高，近20年來發(fā)展迅速。注漿成型的熔融石英陶瓷產(chǎn)品具有密度高、結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度高、耐磨性好、抗沖刷等特點(diǎn)，適合制造形狀簡單、密度和強(qiáng)度要求較高的產(chǎn)品。
由于其近凈尺寸生產(chǎn)、可成型復(fù)雜形狀的制品，已經(jīng)成為了制備復(fù)雜陶瓷制品的新途徑，其具體工藝過程主要分為料漿制備、固化脫模、干燥排膠、燒結(jié)制品四個部分，其具體工藝流程圖如下所示。
注凝成型工藝流程圖
注凝成型法的影響因素
注凝成型整個工藝過程中，料漿的制備是關(guān)鍵的一步。料漿的固相含量決定了生坯的體積密度，漿體的粘度決定了能不能成型，所以對于料漿的制備與性能的研究至關(guān)重要。
固相含量
采用注凝成型工藝制備高密度低缺陷的坯體，與固相含量息息相關(guān)。固相含量是指熔融石英粉與漿體的體積之比。從理論上來講，固相含量越高，制備得到的生坯致密性能越好。較高的坯體密度意味著其強(qiáng)度的增大，固相含量越高其坯體強(qiáng)度越大。
但是實(shí)際上，隨著固相含量的增大，黏度會隨著增大。這是因?yàn)殡S著固相含量的增加，顆粒間的移動越困難，其黏度增大，流動性變差。一般而言，高固相漿體的固相含量均在50%以上。
pH值
陶瓷粉體料漿的pH值即為其酸堿性，pH值不同，粉體表面帶電狀況不同，即會改變其Zeta電位。Zeta電位的改變直接影響了粒子間的靜電斥力，從而影響了漿體的穩(wěn)定性。
同時(shí)，pH值對于料漿黏度也是一個非常重要的影響因素，所以pH值對料漿性能的研究是必不可少的。
理論上而言，Zeta電位越大，分散性能越好，但是對于熔融石英陶瓷料漿而言，隨著pH值增大，造成雙電層電荷增多，從而會束縛較多的水，導(dǎo)致膠體外的自由水的量減少；pH值較小時(shí)，雖然電位小，但是由于雙電層薄，從而膠體外的自由水增多，從而黏度也就會小一些。
分散劑在制備高固相含量的料漿體系中起著關(guān)鍵性的作用，分散劑可以防止顆粒之間的聚集，在一定程度上可以減少料漿中水的用量，所以分散劑也可以稱作減水劑。
分散劑的用量對于漿體的分散效果影響很大，若分散劑加入量太少，會導(dǎo)致熔融石英粉末顆粒的表面不能完全被分散劑吸附，從而達(dá)不到分散的效果，這種現(xiàn)象就叫做不飽和吸附狀態(tài)。
分散劑的用量太多，會導(dǎo)致熔融石英粉末顆粒的表面吸附過多，造成雙電層過厚束縛更多的水，導(dǎo)致流動性變差，同時(shí)剩余的未吸附的分散劑顆粒會被高分子鏈橋接起來，從而抑制了顆粒間的自由運(yùn)動，導(dǎo)致料漿的黏度變大，這種現(xiàn)象通常稱為過飽和狀態(tài)。
參考來源
何思慧.高致密性熔融石英陶瓷制備技術(shù)的研究
蔡德龍等.高溫透波陶瓷材料研究進(jìn)展
曹運(yùn)紅.用于導(dǎo)彈雷達(dá)天線罩的材料、工藝現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢
