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邹(zou)小姐：13326633089 -
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堇青石(shi)(shi)(cordierite)是一(yi)种常(chang)见(jian)的(de)(de)宝(bao)石(shi)(shi)，但(dan)除了观赏性(xing)价值外(wai)，用(yong)堇青石(shi)(shi)制备(bei)的(de)(de)陶瓷在工业(ye)上也有众多应(ying)用(yong)。由于具有较低的(de)(de)热(re)膨胀系(xi)数(shu)、良好的(de)(de)化(hua)学稳定性(xing)、较高(gao)的(de)(de)电(dian)阻(zu)率、较低的(de)(de)介电(dian)常(chang)数(shu)以(yi)(yi)及近零的(de)(de)频率温(wen)度系(xi)数(shu)等优良特性(xing)，堇青石(shi)(shi)陶瓷被(bei)广泛应(ying)用(yong)于冶金、汽(qi)车、催化(hua)、化(hua)工以(yi)(yi)及电(dian)子等领域，随着半导(dao)(dao)体行业(ye)的(de)(de)发展，堇青石(shi)(shi)陶瓷在高(gao)端(duan)制造领域的(de)(de)应(ying)用(yong)（高(gao)端(duan)半导(dao)(dao)体设(she)备(bei)用(yong)结构件等）也开始崭露头角。
一、堇青石的结构(gou)组成
堇青石(shi)陶瓷(2MgO·2Al2O3·5SiO2)理论密度(du)约为2.6 g·cm−3，熔点约为(wei)1460℃，是一(yi)种低热(re)膨(peng)胀陶(tao)瓷，其晶(jing)体存在三种结构形式(shi)，分别为(wei)α-堇(jin)青(qing)石、β-堇(jin)青(qing)石和μ-堇(jin)青(qing)石。
α-堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石(shi)又称印度石(shi)，为(wei)高温(wen)稳定相，其晶(jing)体结构(gou)为(wei)六方晶(jing)系；β-堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石(shi)为(wei)低(di)温(wen)稳定相，其晶(jing)体结构(gou)为(wei)斜方晶(jing)系；μ-堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石(shi)因其结构(gou)类似于β-石(shi)英，又称β-石(shi)英固溶体，属于低(di)温(wen)亚稳态。μ-堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石(shi)的生成(cheng)温(wen)度约为(wei)915℃，当温(wen)度达到(dao)1200℃时，μ-堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石(shi)开始转(zhuan)化为(wei)β-堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石(shi)，再(zai)随着(zhe)温(wen)度升高至1300℃～1400℃时，β-堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石(shi)向α-堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石(shi)开始转(zhuan)化。
堇青石的晶体(ti)结构(gou)
二、堇青石陶瓷的制备工艺
堇青(qing)石(shi)(shi)是一种天然矿物，然而其在(zai)大自然中的(de)储量很(hen)小。目前(qian)，堇青(qing)石(shi)(shi)主要是通过人工合成(cheng)的(de)方(fang)式获得，传(chuan)统(tong)制备堇青(qing)石(shi)(shi)陶瓷方(fang)法为固相烧结法(fa)，但烧(shao)结温(wen)度区间(jian)较窄（温(wen)度区间(jian)约30 ℃）。随着研究的深入(ru)，堇青石陶瓷制备(bei)(bei)的方法由(you)传统的固相烧(shao)结法逐(zhu)步发展出(chu)了溶(rong)胶—凝胶法、熔融玻璃法、低温(wen)燃烧(shao)法等制备(bei)(bei)方法。
几种(zhong)制备(bei)方法的工艺特点如下：
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制备(bei)方法(fa) |
工(gong)艺 |
优点 |
不足 |
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固相(xiang)烧结法 |
按堇(jin)青(qing)(qing)石(shi)化学式配(pei)比(bi)称取原料(liao)，经过混(hun)合、造粒、干压成型，将(jiang)所(suo)得(de)素坯进行(xing)高温烧结(jie)后获得(de)堇(jin)青(qing)(qing)石(shi)陶瓷 |
生产成本低(di)、操(cao)作简易(yi) |
难以(yi)获(huo)得(de)高纯(chun)度的(de)堇(jin)青(qing)石(shi)陶瓷 |
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溶胶—凝胶法 |
将原(yuan)料(liao)分散在(zai)溶(rong)剂(ji)中(zhong)，经(jing)过(guo)水解—聚(ju)合反(fan)应(ying)后形成溶(rong)胶、凝胶，再经(jing)过(guo)干燥和热(re)处(chu)理(li)后制(zhi)备得(de)(de)到纳米粉(fen)体(ti)，最后，将所得(de)(de)粉(fen)体(ti)进行造粒、成型、烧结后获得(de)(de)堇(jin)青石(shi)陶瓷 |
粉体粒径细小且分(fen)布均匀、反应活性(xing)高、烧结温度低 |
工艺复杂、制(zhi)备(bei)周期长(zhang)、生产效率低且原料价格昂贵(gui)，不适(shi)于大规模工业化(hua)生产 |
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熔融玻璃法 |
按堇青石化学式(shi)配比(bi)称取原料；然后(hou)在(zai)高温下进行熔(rong)融，将熔(rong)体(ti)进行水淬、球磨得(de)到玻璃粉(fen)末；最(zui)后(hou)，经造粒、成型、烧结制备(bei)堇青石陶瓷 |
原(yuan)料均(jun)化(hua)效果好、陶瓷纯度高(gao) |
能(neng)耗巨(ju)大导(dao)致 生产成本过高 |
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低温燃烧合成法 |
以硝酸盐为反(fan)应(ying)(ying)(ying)氧(yang)化(hua)剂，加(jia)入一定的还(hai)原(yuan)剂，反(fan)应(ying)(ying)(ying)原(yuan)料(liao)在(zai)低于堇青石陶瓷烧(shao)结温度时被点燃，发生剧烈的氧(yang)化(hua)还(hai)原(yuan)反(fan)应(ying)(ying)(ying)，生成堇青石粉体，再经成型、烧(shao)结制得堇青石陶瓷。 |
该法制备堇青(qing)石陶瓷粉(fen)体(ti)具有高(gao)效、节能、快速的(de)优(you)点 |
反(fan)应(ying)过程剧烈，同时产生大量有害气体(ti)，对环境造成(cheng)危害 |
三、堇青石(shi)陶(tao)瓷的性能调控
随着(zhe)产业的(de)(de)快(kuai)速发展，对堇(jin)青石陶(tao)瓷的(de)(de)热(re)膨胀、微波(bo)介电及(ji)力(li)学性能(neng)提出了更高(gao)的(de)(de)要(yao)求，这就需要(yao)对其结构及(ji)相关(guan)性能(neng)进行(xing)调控优化，以满足(zu)应用指(zhi)标要(yao)求。目前(qian)对堇(jin)青石最常(chang)用的(de)(de)性能(neng)调控手段(duan)是掺杂，掺杂(za)的元(yuan)素种类主要包括碱(jian)金属(shu)元(yuan)素、过渡金属(shu)元(yuan)素、稀土元(yuan)素以及高价(jia)金属(shu)元(yuan)素等。
通(tong)过(guo)掺杂既可(ke)以促进(jin)堇青(qing)石(shi)(shi)陶瓷(ci)(ci)的烧结(jie)(jie)，降低堇青(qing)石(shi)(shi)晶(jing)型转(zhuan)变温度(du)，减(jian)少其他杂相(xiang)生(sheng)成；又可(ke)以调控堇青(qing)石(shi)(shi)晶(jing)体内部结(jie)(jie)构，进(jin)而对(dui)堇青(qing)石(shi)(shi)陶瓷(ci)(ci)热膨(peng)胀系数(shu)、微(wei)波介电性能(neng)产生(sheng)影(ying)响(xiang)；还可(ke)以产生(sheng)烧结(jie)(jie)液相(xiang)，降低堇青(qing)石(shi)(shi)陶瓷(ci)(ci)烧结(jie)(jie)温度(du)，进(jin)而提(ti)高堇青(qing)石(shi)(shi)陶瓷(ci)(ci)基(ji)体强度(du)。
1.热膨胀性能
对于(yu)堇(jin)青石(shi)陶(tao)瓷(ci)(ci)而言，低热膨胀系数是其优(you)势所在，一般(ban)堇(jin)青石(shi)陶(tao)瓷(ci)(ci)的热膨胀系数在1.5×106℃-1～2.0×106℃-1(25 ℃～800 ℃)。无论(lun)作为(wei)催(cui)化剂(ji)载体(ti)(ti)、高温窑具，还是用作电子封装材料，都需要具(ju)有(you)较好的抗热震性能和低的热膨胀系数。
通过掺杂，可以控制堇(jin)青石陶瓷(ci)的(de)成分，减少高热(re)膨(peng)胀(zhang)(zhang)系数的(de)杂相生成，还可以引起晶格畸变，使得堇(jin)青石在受(shou)热(re)时(shi)各(ge)向异性的(de)热(re)膨(peng)胀(zhang)(zhang)可调可控。
堇(jin)青石蜂(feng)窝陶瓷载体
2.微波介电(dian)性能
在(zai)微(wei)波通信(xin)领域，800 MHz～2000 MHz波段的微(wei)波介(jie)质材料研究已较为成熟，但随着频率升(sheng)高至12GHz～40GHz，常见的微(wei)波介(jie)质陶(tao)瓷(ci)的介(jie)电(dian)常数较大(εr≥20)、品质(zhi)因数较(jiao)低，无法(fa)满足高频微(wei)波(bo)介质(zhi)器件低损(sun)耗(hao)、高稳定性的需要。堇青石陶瓷除(chu)了具有较低(di)的热(re)膨(peng)胀系数，同时还具有较低(di)的介电常数(εr=6)以(yi)及(ji)近(jin)零的频率温(wen)度系数(shu)，因而其在微波毫米(mi)波通(tong)讯(xun)系统中的谐振器、滤(lv)波器、波导以及基板元件(jian)中(zhong)具(ju)有广泛的应(ying)用前景。
对微(wei)波介(jie)电性能调控的(de)方式一般(ban)有两种(zhong)途径：一是添(tian)加烧结助剂可(ke)以(yi)提高材料(liao)密度，进而提升(sheng)品质因(yin)数，但这通常伴随着介(jie)电常数的(de)上升(sheng)；二是通过掺(chan)杂较大半径元(yuan)素，使堇青石(shi)晶格(ge)产生畸变，提(ti)高堇青石(shi)结构内六元环的(de)对称性(xing)(xing)，能(neng)有效(xiao)提(ti)高品(pin)质因数，且对其他性(xing)(xing)能(neng)影响(xiang)不大。
介质陶(tao)瓷谐振器
3.力学性能(neng)
在高温窑具、尾气净化(hua)器以(yi)及(ji)熔(rong)体过(guo)滤器等对抗热(re)震性(xing)能要(yao)求较高的领域，在除了满足较低的热膨(peng)胀系数的同(tong)时(shi)，还要(yao)具有较高的机(ji)械强度(du)。然而，堇青(qing)石(shi)陶瓷的力学(xue)性能（抗弯强度(du)约为20 MPa～30 MPa）与=SiC、Si3N4等陶(tao)瓷相比差(cha)距较大，这在一(yi)定程度上(shang)制约(yue)其(qi)在这些领域的应用。
目前，改(gai)善堇(jin)青石(shi)陶瓷力(li)学性能(neng)(neng)有(you)两(liang)种途径：一(yi)是通过(guo)掺杂(za)元(yuan)素在较低温度(du)(du)下生成液(ye)相，进而(er)提(ti)高(gao)基体(ti)(ti)的强度(du)(du)；二是加入力(li)学性能(neng)(neng)较好的第二相，但该法改(gai)善堇(jin)青石(shi)力(li)学性能(neng)(neng)的同时，可(ke)能(neng)(neng)会带来了热膨胀系(xi)数升高(gao)的问(wen)题(ti)。
另外，当(dang)掺入少量的网络(luo)形成离(li)子(如B3+)，生成的液相会进入到陶瓷基体之中，促使基体颗粒重(zhong)排，在降低(di)烧结温(wen)度(du)的同时，也(ye)会提(ti)高烧结致密度(du)，进而提(ti)高其力学强度(du)。
堇青石承烧板窑具
总结
虽(sui)然堇青(qing)石陶(tao)瓷(ci)(ci)已(yi)在(zai)(zai)冶金、汽车、催(cui)化、化工以及电(dian)子(zi)等(deng)领域(yu)得到(dao)了(le)广泛的应用，但我国(guo)在(zai)(zai)对堇青(qing)石陶(tao)瓷(ci)(ci)研(yan)究方(fang)面(mian)起步较晚，在(zai)(zai)诸多方(fang)面(mian)与国(guo)际(ji)水平存在(zai)(zai)较大差距(ju)，这主要表现在(zai)(zai)粉体(ti)(ti)制备粒度的控制以及热膨胀(zhang)系数的调控等(deng)方(fang)面(mian)，对于堇青(qing)石陶(tao)瓷(ci)(ci)的研(yan)究仍任重道(dao)远，特别是对于高(gao)端(duan)制造(zao)领域(yu)用堇青(qing)石陶(tao)瓷(ci)(ci)的研(yan)发亟待突破，国(guo)产替代迫在(zai)(zai)眉睫(jie)。
参考来源：
1. 堇青石陶瓷结构及性(xing)能(neng)研究进展 ，周士(shi)杰、王(wang)峰(feng)、贺智勇、王(wang)晓波（钢铁研究总院、中国钢研科技集团(tuan)有(you)限公司）；
2. 堇青石基微(wei)波介(jie)质陶(tao)瓷的(de)制(zhi)备及性能(neng)研究，彭(peng)昶（电子科技大(da)学(xue)）；
3. 高性能(neng)堇(jin)青石陶瓷的制备及影响因素分析，韩(han)桢（吉林(lin)大学）；
4. 堇(jin)青石陶瓷(ci)的研究现状，汪潇(xiao)、杨(yang)留栓、刘(liu)祎(yi)冉、任刚伟（耐火材料(liao)）。
粉体圈小吉
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