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除了耐火材料,莫來石陶瓷還能做些什么?
2021年12月16日    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com    |  投稿

莫來石陶瓷是主相為莫來石(3Al2O3·2SiO2)的一類陶瓷的總稱??珊唵畏譃槠胀獊硎珊透呒兡獊硎蓛纱箢?,普通莫來石瓷以鋁硅酸鹽系天然礦物作為主要原料,因原料純度低,雜質含量高,其組分除A12O3、SiO2外,還含有TiO2、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等不確定雜質,因而制品中有相當數量的玻璃相,致使其力學、熱學性質較差,使莫來石陶瓷在高溫下的優良性能不能得到充分發揮。高純莫來石陶瓷采用人工合成的超細高純莫來石粉末制備而成,它具有膨脹均勻、熱震穩定性極好、荷重軟化點高、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學腐蝕性好等特點中國建材網cnprofit.com。高性能莫來石在1300℃時抗彎強度可達570MPa,斷裂韌性KIC達5.7MPa,均比常溫時高1.6倍,這種隨溫度升高、強度和韌性不僅不衰減反而大幅度提高,是高純莫來石陶瓷作為高溫材料極佳的特性。

更為精細的原材料讓莫來石突破了其作為普通耐火材料應用局限,高溫下強度衰減較小,并且有很好的抗蠕變和抗熱震性能的特性使高純莫來石陶瓷作為一種高溫結構材料也受到越來越多的重視。此外,莫來石陶瓷還在電子封裝材料、汽車領域等有著重要的應用。

表:先來看看莫來石陶瓷的物理性質

性質

理論值

理論密度(g/cm3)

3.16~3.22

熔點(°C)

1850

泊松比

0.238~0.276

線膨脹系數(10-6/K)(25~1500°C)

5.6

熱導率(W/(m?K))

5.45

介電常數(25°C,1MHz)

6.4~7.0

電阻率(20°C,??cm)

1018

抗彎強度(0 %氣孔率,MPa)

250~500

斷裂韌性(MPa?m1/2)

2~3

蠕變活化能(KJ/mol)

687~699


一、莫來石的應用前景


1、莫來石高溫工程材料


莫來石陶瓷的室溫強度較低,限制了其室溫應用,但是由于它具有優良的抗蠕變和抗熱震性,并且高溫下室溫強度衰減較小,再加上它在氧化環境下獨特的熱穩定性,因而莫來石陶瓷材料作為獨特的高溫材料日益引起了人們的重視。


應用案例

①我國研制的莫來石陶瓷缸蓋底板在沙漠車上試用成功,初步顯示該材料較好的應用前景。德國采用鋁硅酸鹽長纖維增韌的莫來石復合材料曾在螺旋槳飛機的排氣裝置上測試使用獲得成功;


②日本的Chichbu水泥公司開發出了隧道窯中所用的莫來石陶瓷傳送帶,從而取代了不銹鋼傳送帶,這種陶瓷傳送帶由高純莫來石燒結制得,用于在1000 ℃以上燒結制備電子器械用陶瓷元件;


③莫來石陶瓷具有優異的抗高溫氣體腐蝕行,被廣泛應用于金屬熔融坩堝、高溫防護管以及熱電偶保護管等耐熱材料。

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莫來石陶瓷法蘭管高溫保護爐管


2 、電子封裝材料

莫來石的膨脹系數和介電系數低,恰好正是微電子工業中IC(集成電路)技術和SMT(表面貼裝技術)技術發展所要求的。低的介電常數可導致信號迅速傳遞。在IC基片的信號傳遞中,信號傳遞的時間和相對介電系數成正比,由于莫來石介電系數低,使得純莫來石基片傳遞信號速度比常用的氧化鋁基片更快。在吸波材料上增加莫來石陶瓷后,不僅擴展了吸波材料的吸收頻帶,同時顯著提高了吸波材料的吸收效率。


此外,莫來石的熱膨脹稍高于硅,但是通過制備莫來石與玻璃以及(或)與低膨脹陶瓷(堇青石或鋰輝石)復合材料,則可提高匹配性。


應用案例:

①日本Yamamar玻璃公司便開發出了承載半導體器件、感應線圈電容及電阻的莫來石玻璃陶瓷,其主要成分是45~50wt%的Al2O3、20~35wt%的SiO2和5~20wt%的MgO。

②日本日立公司采用當前工藝已推出了莫來石多層陶瓷封裝材料。

③日本的NGK火花塞公司也開發了多層莫來石陶瓷,用于電子線路板,可減少信號的傳播損失。

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莫來石在電子封裝材料中的應用


3、汽車領域

莫來石陶瓷合金復合材料還可用于剎車片內襯,這種材料以Cu-Sn或Cu-Fe合金作為基體,其他種類陶瓷作為分散介質。莫來石和或者不超過30wt%的SiO2作為摩擦劑,石墨或鉛作為潤滑劑。比如通過擠壓和軋波紋的方法可以制備出多孔莫來石基陶瓷材料。由于該材料比聚合物制備的剎車材料具有較好的耐熱性和耐磨性,目前在飛機和高鐵系統以及汽車剎車片方面已經廣泛使用。因為這種材料比由石棉和高聚物制成的傳統剎車材料具有較好的耐熱性和耐久性且污染極少,所以在剎車盤、發動機和汽車汽輪機的高溫燃燒器中得到青睞。


二、莫來石粉體的制備方法


天然的莫來石礦物比較少,這限制了其應用,所以研究者通常采用不同的制備方法來人工合成各種類型的莫來石粉體(圖1)。其制備分為傳統方法及濕化學法。傳統方法(主要用于工業界)包括:電溶法、燒結法、固相反應合成法等;濕化學法(主要用于學術界)如:溶膠凝膠法、化學沉淀法、水熱法等,其具體的制備方法及細節如下:


1、固相燒結法


高溫固相反應法是以鋁鹽、硅鹽、以及其他助溶劑為原料,首先在室溫下使原料充分混合均勻,使原料不產生團聚,然后再高溫下(1500°C~1800°C)保溫一段時間,經過高溫煅燒合成莫來石。


優點:操作工藝簡單,工藝參數很容易控制,并且容易實現大規模生產。

缺點:粉體原料需要很長的時間混合均勻,且均勻度有限;產物在結構、粒度分布差異很大。

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溶膠-凝膠法制備的莫來石晶須


2、溶膠-凝膠法


此方法是以三價鋁或者硅鹽經水解形成溶膠,按照一定的計量數,并且用氨水來調節PH控制溫度在374°C、壓力21.7MPa,當液相完全消失,只有氣相存在,最后將溶膠干燥所得。


優點:前驅體化學均勻性好,并且有較高的純度;此外,反應過程容易控制,設備簡單。

缺點:干燥收縮大,工業化生產難度大,合成周期長。

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溶膠-凝膠法制備的莫來石晶須


3、微波合成法


微波又稱超高頻電磁波,此種工藝是將鋁原和硅為原料,在微波爐中以一定的條件,如波長頻率為1m的電磁波,接著進行加熱,使之發生反應,從而得到所需產品的一種新技術。


優點:此技術能夠在短時間內、低溫下合成純度高、粒度細的陶瓷粉末。

缺點:大規模生產有一定的困難。

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微波合成莫來石


4、氧化物摻雜法

此方法是在鋁源和硅源的原料中添加金屬氧化物,利用在高溫煅燒過程中這些金屬氧化物能夠形成液相的特性,從而起到高溫熔體粘度的作用,從而使的莫來石晶體(晶須)從高溫熔體中析出來。


優點:設備簡單,時間周期短,原則性較大。

缺點:產生的液相較多,不利于產品的高溫性能。

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氧化物摻雜物合成莫來石


5、熔鹽法

熔融鹽是指以工藝氧化鋁為主要原料,硫酸鹽為熔鹽,通過一定的配方比,然后在球磨機中快速混料,造粒,選擇粒子,半干壓成型,然后在高溫爐中以一定的溫度和升溫程序進行合成莫來石產品。


優點:熔融鹽具有不同于水溶液的諸多性,如高溫下的穩定性,在較寬溫度范圍內的低蒸汽壓,低的粘度,具有良好的導電性,較高的離子遷移和擴散速度,高的熱容量,具有溶解各種不同材料的能力等。

缺點:制備晶體時生長速度慢,生長周期長,并且晶體尺寸較??;此外,坩堝和熔鹽對合成晶體有污染;許多熔鹽具有不同程度的毒性,其揮發物常腐蝕或污染爐體和環境。

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熔鹽法合成莫來石


在工業界,莫來石粉體制備中主要采用傳統燒結法,但近年來隨著先進設備和制造業的發展,普遍采用化學法,如溶膠-凝膠法和微波爐合成法,因為這樣得到的粉體更加均勻,顆粒微細,純度高,燒結程度好等優勢,為新型莫來石陶瓷以及相關材料的發展和應用開辟了廣闊的前景。


參考來源:

[1]耐高溫陶瓷--金屬復合材料制備及性能研究(華北電力大學(北京))

[2]莫來石晶須的生長機理研究.(陶瓷學報)


標簽:行業資訊,今日頭條,技術中心,家裝材料,成品材料,瓷磚陶瓷
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