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邹小姐：13326633089 -
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堇青(qing)石(shi)(cordierite)是一种常(chang)见的宝石(shi)，但除了(le)观赏性价值外，用(yong)(yong)堇青(qing)石(shi)制备的陶瓷在工业上也有(you)众多应用(yong)(yong)。由于(yu)(yu)具有(you)较(jiao)低(di)的热膨胀系数(shu)、良好的化(hua)(hua)学稳(wen)定性、较(jiao)高(gao)的电阻率(lv)、较(jiao)低(di)的介电常(chang)数(shu)以(yi)及近零的频率(lv)温(wen)度系数(shu)等优良特性，堇青(qing)石(shi)陶瓷被广泛(fan)应用(yong)(yong)于(yu)(yu)冶金、汽车、催化(hua)(hua)、化(hua)(hua)工以(yi)及电子(zi)等领(ling)(ling)域，随(sui)着(zhe)半导体(ti)(ti)行业的发展，堇青(qing)石(shi)陶瓷在高(gao)端制造领(ling)(ling)域的应用(yong)(yong)（高(gao)端半导体(ti)(ti)设备用(yong)(yong)结构件等）也开始崭露(lu)头角。
一、堇青(qing)石的结构组成
堇青(qing)石陶瓷(ci)(2MgO·2Al2O3·5SiO2)理论密度约为2.6 g·cm−3，熔点约为1460℃，是一种低热膨胀陶瓷，其晶(jing)体存在三种结(jie)构形式，分别为α-堇青石、β-堇青石和μ-堇青石。
α-堇(jin)(jin)(jin)青石又(you)称印度石，为高(gao)温(wen)(wen)稳(wen)定相(xiang)，其晶体(ti)结(jie)(jie)构为六方(fang)晶系(xi)(xi)；β-堇(jin)(jin)(jin)青石为低温(wen)(wen)稳(wen)定相(xiang)，其晶体(ti)结(jie)(jie)构为斜(xie)方(fang)晶系(xi)(xi)；μ-堇(jin)(jin)(jin)青石因其结(jie)(jie)构类似于β-石英，又(you)称β-石英固溶体(ti)，属于低温(wen)(wen)亚稳(wen)态。μ-堇(jin)(jin)(jin)青石的(de)生成温(wen)(wen)度约为915℃，当温(wen)(wen)度达到1200℃时，μ-堇(jin)(jin)(jin)青石开始转(zhuan)化为β-堇(jin)(jin)(jin)青石，再(zai)随着(zhe)温(wen)(wen)度升高(gao)至1300℃～1400℃时，β-堇(jin)(jin)(jin)青石向(xiang)α-堇(jin)(jin)(jin)青石开始转(zhuan)化。
堇青石(shi)的晶体结构
二(er)、堇青石陶瓷(ci)的制备工(gong)艺
堇(jin)青(qing)石是一(yi)种天(tian)然矿物(wu)，然而其在大(da)自然中的储量很小。目前，堇(jin)青(qing)石主要是通(tong)过人工合(he)成的方(fang)式获得，传统(tong)制(zhi)备堇(jin)青(qing)石陶瓷方(fang)法为固相烧结法(fa)，但烧结温度区(qu)间(jian)(jian)较窄（温度区(qu)间(jian)(jian)约30 ℃）。随着研(yan)究的(de)深入，堇(jin)青石陶瓷制备的(de)方法由传统的(de)固相(xiang)烧结法逐步发展(zhan)出了(le)溶胶—凝胶法、熔融玻璃法、低温燃烧法等制备方法。
几(ji)种制备方法的(de)工艺(yi)特(te)点如下：
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制(zhi)备方法 |
工艺 |
优点 |
不足 |
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固(gu)相烧结法(fa) |
按堇青石化学(xue)式配比(bi)称取原料，经过(guo)混合(he)、造粒、干(gan)压成型(xing)，将所(suo)得素坯进行高(gao)温烧结后获得堇青石陶瓷 |
生产(chan)成(cheng)本(ben)低、操作简易 |
难(nan)以获(huo)得高纯度(du)的堇青石陶瓷 |
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溶胶(jiao)—凝胶(jiao)法 |
将(jiang)原(yuan)料分散(san)在(zai)溶(rong)剂中，经过(guo)水(shui)解—聚合反应后形成溶(rong)胶、凝胶，再经过(guo)干燥和热(re)处理后制备得到纳米粉体(ti)，最后，将(jiang)所得粉体(ti)进行造粒、成型、烧结后获得堇青石(shi)陶(tao)瓷(ci) |
粉体粒径细小且分布均匀、反(fan)应活(huo)性(xing)高(gao)、烧结(jie)温度(du)低 |
工(gong)艺复杂(za)、制备周期长、生产(chan)效率(lv)低且原料价格昂贵(gui)，不适于大规模工(gong)业化生产(chan) |
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熔融玻璃法 |
按堇青石化学式配比称取原(yuan)料；然后在高温下进行(xing)熔融，将熔体进行(xing)水淬、球磨得(de)到玻璃(li)粉(fen)末；最后，经(jing)造粒、成(cheng)型、烧结制备堇青石陶(tao)瓷 |
原料(liao)均化(hua)效果好(hao)、陶瓷(ci)纯度(du)高 |
能耗(hao)巨大导致 生产成本过(guo)高(gao) |
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低温(wen)燃烧合成法(fa) |
以硝(xiao)酸(suan)盐为反应(ying)氧化剂，加入(ru)一定的还原(yuan)剂，反应(ying)原(yuan)料(liao)在低于堇青石陶瓷烧结温度(du)时(shi)被点燃，发生剧烈的氧化还原(yuan)反应(ying)，生成堇青石粉体(ti)，再经成型、烧结制得堇青石陶瓷。 |
该法(fa)制备堇青石陶瓷粉体具有高(gao)效、节能、快速的优(you)点 |
反(fan)应(ying)过(guo)程(cheng)剧烈，同时产生大(da)量有(you)害气体(ti)，对环境造成危害 |
三、堇青石陶瓷的性能调控
随着产业的快速发展，对(dui)堇青石(shi)陶瓷的热膨胀、微波介电及力学性能(neng)提出(chu)了更(geng)高(gao)的要求，这(zhei)就需要对(dui)其(qi)结构及相关性能(neng)进行调控(kong)优化，以(yi)满足应用(yong)指标要求。目前对(dui)堇青石(shi)最常用(yong)的性能(neng)调控(kong)手段是掺杂，掺杂的元(yuan)(yuan)素种类主要包(bao)括碱金属元(yuan)(yuan)素、过(guo)渡金属元(yuan)(yuan)素、稀土元(yuan)(yuan)素以及高价(jia)金属元(yuan)(yuan)素等。
通(tong)过掺杂既可(ke)以促进(jin)堇青石陶(tao)瓷(ci)的烧结(jie)(jie)，降低堇青石晶型转变温度，减少其他杂相生(sheng)成；又可(ke)以调控堇青石晶体(ti)内部(bu)结(jie)(jie)构，进(jin)而对(dui)堇青石陶(tao)瓷(ci)热(re)膨胀系数、微波介电性(xing)能产生(sheng)影响(xiang)；还可(ke)以产生(sheng)烧结(jie)(jie)液相，降低堇青石陶(tao)瓷(ci)烧结(jie)(jie)温度，进(jin)而提(ti)高堇青石陶(tao)瓷(ci)基体(ti)强度。
1.热膨胀性能(neng)
对(dui)于堇青石陶(tao)瓷(ci)而言，低热膨(peng)(peng)胀(zhang)系数是其优势(shi)所在，一般堇青石陶(tao)瓷(ci)的热膨(peng)(peng)胀(zhang)系数在1.5×106℃-1～2.0×106℃-1(25 ℃～800 ℃)。无论作为催(cui)化剂载体、高温窑具，还是用作电子封装材料，都需要具(ju)有较(jiao)好的(de)抗热(re)(re)震性能和低的(de)热(re)(re)膨胀系数。
通过掺杂(za)，可(ke)以控制堇(jin)青石陶瓷的成分(fen)，减少高热膨(peng)(peng)胀系数的杂(za)相生成，还可(ke)以引(yin)起晶格(ge)畸变，使得堇(jin)青石在受热时各向异性(xing)的热膨(peng)(peng)胀可(ke)调可(ke)控。
堇(jin)青石蜂窝陶(tao)瓷载体(ti)
2.微波介(jie)电性能(neng)
在微(wei)(wei)波(bo)通信领(ling)域，800 MHz～2000 MHz波(bo)段(duan)的微(wei)(wei)波(bo)介质材(cai)料研究已较为成熟(shu)，但随(sui)着频率升高至12GHz～40GHz，常见的微(wei)(wei)波(bo)介质陶瓷的介电常数(shu)较大(εr≥20)、品质因数(shu)较低(di)，无法满足高(gao)频微波介质器(qi)件低损耗、高稳定性的(de)(de)需要(yao)。堇(jin)青石陶瓷(ci)除了具有较低的(de)(de)热膨胀系数，同时还具有较低的(de)(de)介电常数(εr=6)以及近(jin)零(ling)的频率温度系数，因(yin)而其在微波(bo)毫米波(bo)通讯系(xi)统中的谐(xie)振器、滤波(bo)器、波(bo)导以(yi)及(ji)基板元件中具有广泛(fan)的应用前景。
对微波介电(dian)性(xing)能调控的(de)方式(shi)一般有两(liang)种途(tu)径：一是添加烧结(jie)助剂可以(yi)提(ti)高材料密度，进而提(ti)升品质因数(shu)，但这通(tong)常(chang)伴随着介电(dian)常(chang)数(shu)的(de)上升；二是通(tong)过掺杂较大半径(jing)元素，使堇(jin)青石晶格产生畸变，提高(gao)堇(jin)青石结构(gou)内六元环的(de)对(dui)称性，能有效(xiao)提高(gao)品质(zhi)因数，且对(dui)其他性能影响不大。
介质陶瓷谐(xie)振器
3.力(li)学性能
在(zai)高温窑具、尾气净化器以及熔体(ti)过滤器等对(dui)抗(kang)热震(zhen)性(xing)能(neng)要求较(jiao)高的(de)(de)领域，在除了满(man)足较(jiao)低的(de)(de)热膨(peng)胀系数的(de)(de)同(tong)时(shi)，还(hai)要具(ju)有较(jiao)高的(de)(de)机械强度。然而，堇青石(shi)陶瓷(ci)的(de)(de)力学性能（抗(kang)弯强度约为20 MPa～30 MPa）与(yu)=SiC、Si3N4等陶瓷(ci)相比差距较大，这在一定(ding)程度(du)上制约其在这些领域的应用。
目前，改善堇青石陶瓷力(li)学(xue)(xue)性(xing)能(neng)有两种途(tu)径(jing)：一是通过掺杂元素在较(jiao)低温度下生成(cheng)液相(xiang)，进而提(ti)高(gao)基体的(de)强(qiang)度；二是加入力(li)学(xue)(xue)性(xing)能(neng)较(jiao)好的(de)第二相(xiang)，但该(gai)法改善堇青石力(li)学(xue)(xue)性(xing)能(neng)的(de)同时，可能(neng)会带来了热膨胀(zhang)系数(shu)升高(gao)的(de)问题。
另外，当掺入少量的(de)网络(luo)形成离子(zi)(如B3+)，生成的液相会进入到陶瓷基(ji)体之中(zhong)，促使(shi)基(ji)体颗粒重排，在(zai)降低烧结(jie)温(wen)度的同时(shi)，也会提高烧结(jie)致密度，进而(er)提高其力学强(qiang)度。
堇(jin)青(qing)石(shi)承(cheng)烧板(ban)窑具
总结
虽然堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石陶(tao)瓷(ci)已在(zai)(zai)(zai)冶金(jin)、汽车、催化(hua)、化(hua)工以(yi)及电子等(deng)领域得到(dao)了广泛的应(ying)用，但我国(guo)在(zai)(zai)(zai)对(dui)堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石陶(tao)瓷(ci)研究(jiu)(jiu)方面起步较(jiao)晚，在(zai)(zai)(zai)诸多方面与国(guo)际水平存在(zai)(zai)(zai)较(jiao)大差(cha)距，这主要表现(xian)在(zai)(zai)(zai)粉体制(zhi)备(bei)粒度的控(kong)制(zhi)以(yi)及热膨胀系数(shu)的调(diao)控(kong)等(deng)方面，对(dui)于堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石陶(tao)瓷(ci)的研究(jiu)(jiu)仍任重道远，特别是对(dui)于高端制(zhi)造领域用堇(jin)(jin)(jin)青(qing)石陶(tao)瓷(ci)的研发亟待突破，国(guo)产替代迫在(zai)(zai)(zai)眉睫。
参(can)考来源：
1. 堇青石陶瓷(ci)结构(gou)及性能研究(jiu)进(jin)展 ，周士杰(jie)、王(wang)峰、贺(he)智勇、王(wang)晓(xiao)波(bo)（钢(gang)铁研究(jiu)总院、中国钢(gang)研科技集(ji)团(tuan)有(you)限公司(si)）；
2. 堇(jin)青石基(ji)微(wei)波(bo)介质(zhi)陶(tao)瓷的制备及性能研(yan)究，彭昶（电子(zi)科技大学）；
3. 高性(xing)能堇青石陶瓷的制备及影(ying)响因素分析，韩桢(zhen)（吉(ji)林大学）；
4. 堇青石陶瓷(ci)的研究现状，汪(wang)潇、杨留栓、刘祎冉、任刚(gang)伟（耐火材料）。
粉体圈小吉
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