莫来石陶瓷是主相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)的一类陶瓷的总称(cheng)。可简(jian)单分(fen)(fen)为普(pu)通(tong)莫来石瓷和高(gao)纯莫来石瓷两大类,普(pu)通(tong)莫来石瓷以铝硅(gui)酸盐系天然矿物作为主要(yao)原(yuan)料(liao),因原(yuan)料(liao)纯度(du)低,杂质含(han)量(liang)高(gao),其组分(fen)(fen)除A12O3、SiO2外,还含有TiO2、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等(deng)不(bu)确定(ding)杂质(zhi),因而(er)(er)制品中有相当(dang)数量的(de)玻璃(li)相,致使(shi)其力学、热(re)学性(xing)(xing)质(zhi)较差,使(shi)莫(mo)来(lai)(lai)(lai)石陶(tao)瓷(ci)在高(gao)(gao)温(wen)(wen)下的(de)优良(liang)性(xing)(xing)能(neng)(neng)不(bu)能(neng)(neng)得到充分发挥。高(gao)(gao)纯莫(mo)来(lai)(lai)(lai)石陶(tao)瓷(ci)采用人工合成的(de)超(chao)细高(gao)(gao)纯莫(mo)来(lai)(lai)(lai)石粉(fen)末制备而(er)(er)成,它(ta)具有膨胀均匀、热(re)震稳定(ding)性(xing)(xing)极(ji)好(hao)、荷重软化点(dian)高(gao)(gao)、高(gao)(gao)温(wen)(wen)蠕变值小(xiao)、硬度(du)(du)大(da)、抗(kang)(kang)化学腐蚀性(xing)(xing)好(hao)等(deng)特点(dian)。高(gao)(gao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)莫(mo)来(lai)(lai)(lai)石在1300℃时抗(kang)(kang)弯强(qiang)度(du)(du)可达(da)570MPa,断裂韧性(xing)(xing)KIC达(da)5.7MPa,均比常温(wen)(wen)时高(gao)(gao)1.6倍,这种随温(wen)(wen)度(du)(du)升高(gao)(gao)、强(qiang)度(du)(du)和韧性(xing)(xing)不(bu)仅不(bu)衰减反而(er)(er)大(da)幅度(du)(du)提高(gao)(gao),是高(gao)(gao)纯莫(mo)来(lai)(lai)(lai)石陶(tao)瓷(ci)作为高(gao)(gao)温(wen)(wen)材(cai)料极(ji)佳(jia)的(de)特性(xing)(xing)。
更为精细的原材料(liao)让莫(mo)来石突破了其(qi)作为普通(tong)耐火材料应用局限,高(gao)温(wen)下强度衰减(jian)较小(xiao),并(bing)且(qie)有很好的抗蠕变和抗热震(zhen)性能的特性(xing)使高纯莫来石陶瓷作为(wei)一种高温结构材料也受到越来越多的(de)重视。此外(wai),莫来石陶瓷还在电子(zi)封装材料、汽(qi)车领域等有着重要的应(ying)用(yong)。
表:先(xian)来看看莫来(lai)石(shi)陶瓷的物理性质
性质 |
理(li)论值 |
理论密(mi)度(g/cm3) |
3.16~3.22 |
熔点(°C) |
1850 |
泊松比(bi) |
0.238~0.276 |
线膨(peng)胀系数(10-6/K)(25~1500°C) |
5.6 |
热导率(W/(m·K)) |
5.45 |
介电常数(25°C,1MHz) |
6.4~7.0 |
电(dian)阻率(20°C,Ώ·cm) |
1018 |
抗弯强度(0 %气孔率,MPa) |
250~500 |
断(duan)裂韧性(MPa·m1/2) |
2~3 |
蠕变活化能(neng)(KJ/mol) |
687~699 |
莫来石的应用前景
一、莫来石高温(wen)工(gong)程材料
莫(mo)来石陶瓷(ci)的(de)(de)(de)室(shi)温强度较低(di),限制了(le)其室(shi)温应用,但(dan)是由(you)于它(ta)具有优良的(de)(de)(de)抗蠕变和抗热(re)震性,并且高(gao)温下室(shi)温强度衰减(jian)较小,再加上它(ta)在氧化环(huan)境下独特的(de)(de)(de)热(re)稳(wen)定性,因而莫(mo)来石陶瓷(ci)材(cai)料作为独特的(de)(de)(de)高(gao)温材(cai)料日益引起(qi)了(le)人们的(de)(de)(de)重视。
应用(yong)案例
①我(wo)国研制的(de)(de)莫来石(shi)陶(tao)瓷缸(gang)盖底板在沙漠车上(shang)试用(yong)成功,初步显示该材料较好(hao)的(de)(de)应(ying)用(yong)前景。德国采用(yong)铝(lv)硅酸盐(yan)长(zhang)纤维增韧的(de)(de)莫来石(shi)复合材料曾在螺旋桨飞机的(de)(de)排气装置上(shang)测(ce)试使用(yong)获得成功;
②日本(ben)的(de)Chichbu水泥公司开发出了隧道窑中所用的莫来石陶瓷传送带,从而取代了不锈钢传送带,这种陶瓷传送带由高纯莫来石烧结制得,用于在 1000 ℃以上烧结制备电子器械用陶瓷元件;
③莫来石陶瓷具有优异的抗高温(wen)气体(ti)(ti)腐蚀行,被广泛应用于(yu)金(jin)属(shu)熔融坩(gan)埚、高温防护(hu)管以及热电(dian)偶保护(hu)管等耐热材料(liao)。
莫来石(shi)陶瓷法兰管 高温保护炉管
二、电子封装材(cai)料
莫来石的膨胀系数和介(jie)电系数低,恰好正(zheng)是微电子工(gong)业中(zhong)IC(集成电路)技(ji)术和(he)SMT( 表面贴装技术)技(ji)术发(fa)展所要(yao)求的(de)。低的(de)介(jie)电常数可导致信号迅(xun)速传递(di)。在(zai)IC基片的信号传递中,信号传递的时间和相对介电系数成正比,由于莫来石介电系数低,使得纯莫来石基片传递信号速度比常用的氧化铝基片更快。在吸波材料上增加莫来石陶瓷后,不仅扩展了吸波材料的吸收频带,同时显著提高了吸波材料的吸收效率。
此(ci)外(wai),莫来(lai)石的热膨胀(zhang)稍高于硅,但是通过(guo)制备莫来石与(yu)玻璃以及(或(huo))与(yu)低膨胀陶瓷(堇青(qing)石或(huo)锂辉石)复合材料,则(ze)可(ke)提高匹配性。
应用案例:
①日本Yamamar玻璃公司便开发出了承载半导体器件、感应线圈电容及电阻的莫来石玻璃陶瓷,其主要成分是45~50 wt%的Al2O3、20~35 wt%的SiO2和(he)5~20 wt%的MgO。
②日本日立公司采用当前工(gong)艺已推出了莫(mo)来石多(duo)层(ceng)陶(tao)瓷封装(zhuang)材(cai)料。
③日本的(de)NGK火花塞公司也开发了多层莫来石陶瓷,用于电子线路板,可减少信号的传播损失。
莫(mo)来石在电子封装材料(liao)中的应(ying)用(yong)
三、汽车(che)领域
莫来石陶瓷合金(jin)复合材(cai)料还(hai)可用于刹车片内衬(chen),这(zhei)种材(cai)料以Cu-Sn或Cu-Fe合金作为基体,其他种类陶瓷作为分散介质。莫来石和或者不超过30 wt%的SiO2作为摩擦剂,石墨或铅作为润滑剂。比如通过挤压和轧波纹的方法可以制备出多孔莫来石基陶瓷材料。由于该材料比聚合物制备的刹车材料具有较好的耐热性和耐磨性,目前在飞机和高铁系统以及汽车刹车片方面已经广泛使用。因为这种材料比由石棉和高聚物制成的传统刹车材料具有较好的耐热性和耐久性且污染极少,所以在刹车盘、发动机和汽车汽轮机的高温燃烧器中得到青睐。
莫来(lai)石粉体的制备(bei)方法
天(tian)然的莫来石矿物比较少,这限制了其应用,所以研究者通(tong)常采用不(bu)同的制备方法来人工(gong)合成各种类型的莫来石粉体(图1)。其制备分为传统方法及湿化学法。传统方法(主要用于工业界)包括:电溶法、烧结法、固相反应合成法等;湿化学法(主要用于学术界)如:溶胶凝胶法、化学沉淀法、水热法等,其具体的制备方法及细节如下:
一(yi)、固相烧结法(fa)
高温(wen)固相反应法是以铝盐、硅(gui)盐、以及其(qi)他助(zhu)溶剂为原料,首先(xian)在室温(wen)下(xia)(xia)使原料充分混合均(jun)匀(yun),使原料不产生团(tuan)聚,然(ran)后再高温(wen)下(xia)(xia)(1500°C~1800°C)保温一段时间,经过高温煅烧合成莫来石。
优点:操(cao)作工(gong)艺简单,工(gong)艺参(can)数很容易控(kong)制,并且容易实现(xian)大规模生(sheng)产。
缺点:粉体原(yuan)料需要很长的(de)时间混(hun)合均(jun)匀,且均(jun)匀度有限;产物(wu)在结(jie)构、粒度分布差异很大。
溶胶-凝胶法制备的莫来石晶须
二、溶胶(jiao)-凝胶法
此(ci)方法是以三价(jia)铝或(huo)者硅(gui)盐经水(shui)解形成溶胶(jiao),按照一定的(de)计量数,并(bing)且用氨水(shui)来调节PH控制温度在374 °C、压力21.7 MPa,当液相完全消失,只有气相存在,最后将溶胶干燥所得。
优点:前(qian)驱体(ti)化学均匀性好,并且有较(jiao)高(gao)的纯度;此外(wai),反应过(guo)程容易(yi)控制(zhi),设备简单。
缺点:干燥收缩大(da),工业化生(sheng)产难度大(da),合成周期长。
溶(rong)胶(jiao)-凝胶法制备的莫来石晶须
三、微波(bo)合成法
微波(bo)又称超高频电磁(ci)波(bo),此种工艺是将(jiang)铝(lv)原(yuan)和硅为(wei)原(yuan)料,在微波(bo)炉中以一定(ding)的条件,如波(bo)长频率为(wei)1m的电磁波,接着进行加热,使之发生反应,从而得到所需产品的一种新技术。
优点(dian):此技(ji)术能(neng)够在短时间内、低温下(xia)合成纯度高、粒度细的陶瓷粉(fen)末。
缺点:大规模(mo)生产有一定的困(kun)难(nan)。
微波(bo)合成莫来石
四、氧化物掺杂法(fa)
此方法是在铝源和硅源的(de)原料中(zhong)(zhong)添加(jia)金(jin)属(shu)氧(yang)(yang)化(hua)物,利用在高温(wen)煅烧过程中(zhong)(zhong)这些金(jin)属(shu)氧(yang)(yang)化(hua)物能(neng)够形成液相的(de)特性,从而起到高温(wen)熔体(ti)粘度的(de)作用,从而使的(de)莫来石晶体(ti)(晶须)从高温(wen)熔体(ti)中(zhong)(zhong)析出(chu)来。
优点:设备简单,时间周期(qi)短,原则(ze)性较(jiao)大。
缺点:产(chan)生的液相较多,不利于(yu)产(chan)品(pin)的高(gao)温性能。
氧化物(wu)掺杂物(wu)合成莫来石
五、熔盐法
熔(rong)融(rong)盐是指以(yi)工艺氧化(hua)铝为(wei)主(zhu)要原料(liao),硫酸盐为(wei)熔(rong)盐,通过一定的配方比,然后在球磨机中快速混料(liao),造粒,选(xuan)择粒子,半干压成型,然后在高温炉中以(yi)一定的温度和升温程序进行合成莫来石产品。
优点(dian):熔融盐具有(you)不同于水溶液的(de)诸多性,如高(gao)温(wen)下的(de)稳定(ding)性,在较(jiao)宽温(wen)度范围内的(de)低(di)蒸汽压,低(di)的(de)粘度,具有(you)良好的(de)导电(dian)性,较(jiao)高(gao)的(de)离子(zi)迁移和扩散(san)速(su)度,高(gao)的(de)热容(rong)量,具有(you)溶解各种不同材料的(de)能力等(deng)。
缺(que)点:制(zhi)备(bei)晶体(ti)时生长(zhang)速(su)度慢,生长(zhang)周期长(zhang),并且(qie)晶体(ti)尺寸较小;此外,坩埚和(he)熔(rong)盐(yan)对合成晶体(ti)有污(wu)(wu)染;许多熔(rong)盐(yan)具有不同(tong)程度的毒性,其挥(hui)发物常腐蚀或(huo)污(wu)(wu)染炉体(ti)和(he)环境。
熔盐法合成莫来(lai)石
在(zai)工业界,莫来(lai)石(shi)粉体制备(bei)中主要采用传统烧结法,但近年来(lai)随着先进设(she)备(bei)和制造业的发展(zhan),普遍(bian)采用化学法,如溶胶-凝胶法和微波炉合成法,因为这样得到的粉体更加均匀,颗粒微细,纯度高,烧结程度好等优势,为新型莫来石陶瓷以及相关材料的发展和应用开辟了广阔的前景。
参考来源:
[1] 耐高温陶瓷(ci)--金(jin)属复合材料制备及性能研究 (华北电(dian)力大学(xue)(北京(jing)))
[2] 莫来石晶须的生长机理研究. (陶瓷学(xue)报)
作者:小陈
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