中國(guó)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(guó)于20世紀(jì)初開(kāi)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(lái)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(guó)“愛(ài)國(guó)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(guó)也有多個(gè)型號(hào)的導(dǎo)彈采用了熔融石英陶瓷天線罩。
美國(guó)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(guò)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(dòng)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(lái)新型技術(shù),20世紀(jì)90年代由美國(guó)橡樹嶺國(guó)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(jiǎn)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(lái)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(jiǎn)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(guò)程主要分為料漿制備、固化脫模、干燥排膠、燒結(jié)制品四個(gè)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(gè)工藝過(guò)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(duì)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(lái)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(huì)隨著增大。這是因?yàn)殡S著固相含量的增加,顆粒間的移動(dòng)越困難,其黏度增大,流動(dòng)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(huì)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(duì)于料漿黏度也是一個(gè)非常重要的影響因素,所以pH值對(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(duì)于漿體的分散效果影響很大,若分散劑加入量太少,會(huì)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(huì)導(dǎo)致熔融石英粉末顆粒的表面吸附過(guò)多,造成雙電層過(guò)厚束縛更多的水,導(dǎo)致流動(dòng)性變差,同時(shí)剩余的未吸附的分散劑顆粒會(huì)被高分子鏈橋接起來(lái),從而抑制了顆粒間的自由運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致料漿的黏度變大,這種現(xiàn)象通常稱為過(guò)飽和狀態(tài)。
參考來(lái)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)