中國粉體網訊 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、燒結等陶瓷生產工藝制備的均質陶瓷材料。熔融石英陶瓷最早是由美國于20世紀初開發成功并于1963年實現工業化生產。
熔融石英陶瓷坩堝示意圖
它具有石英玻璃的許多優良性質(如熱膨脹系數小、熱震穩定性好、電性能好、耐化學侵蝕性好等)。還具有石英玻璃不具有的其他優良性質。因此熔融石英陶瓷一經研發出來就大規模用于火箭、導彈、玻璃等多數工業領域。
時至今日，熔融石英已經成為超音速導彈天線罩的主要材料，如美國“愛國者”、“潘興II”、“Sam-D”、俄羅斯的“C-300”、意大利的“Aspide”等導彈天線罩均使用熔融石英陶瓷。我國也有多個型號的導彈采用了熔融石英陶瓷天線罩。
美國Ceradyne公司生產的熔融石英陶瓷天線罩
熔融石英陶瓷的性能特點
熔融石英陶瓷具有以下優點：
(1)較小的熱膨脹系數
在室溫到800℃之間，純石英陶瓷體系的熱膨脹系數為0.54×10-6/℃，與石英玻璃的熱膨脹系數相同，因此具有良好的體積穩定性、熱震穩定性和抗高溫蠕變性，使其能夠在1000℃與20℃空氣或水之間，冷熱交換次數大于20次。
(2)化學性質穩定
石英陶瓷可以與鹽酸、硫酸、硝酸等三大強酸長期直接接觸而不發生任何化學變化；其次，石英陶瓷也不與鋰、鈉、鉀、鈾等腐蝕性金屬熔體發生反應；最后，石英陶瓷還可用耐高溫玻璃液體腐蝕。
(3)穩定的熱導率
石英陶瓷的熱導率很低，并且在室溫到1100℃范圍內幾乎不變。
(4)優越的高溫力學性能
當溫度達到1000℃時，熔融石英陶瓷的彎曲強度等物理力學性能隨溫度的升高而增加，其增加值高達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小，介電損耗小，而且介電常數與介電損耗角正切值隨溫度的變化都遠低于其它高溫陶瓷，可以滿足對雷達波衰減小和畸變小的要求，是導彈和雷達天線罩的理想材料。
(7)良好的抗核輻射性能
熔融石英陶瓷是非晶質結構，具有較小的熱膨脹系數，因此在輻射條件下具有相對穩定的結構和強度，不像其它材料都將轉變為非晶質結構，這一特性使得其廣泛應用于原子能工業及防輻射實驗室。
熔融石英陶瓷的制備技術
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，經自然或強制干燥后，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、模具材質和結構以及注漿工藝。工藝過程包括漿料制備、模具制備以及注漿。
注漿成型示意圖
注漿成型工藝生產效率高，適合于大規模工業生產。但是，由于石英陶瓷泥漿與傳統泥漿相比具有固相含量高、觸變性強、流動性和懸浮性差等特點，在注漿成形大尺寸或實心制品時，工藝條件較為苛刻。
注凝成型：其為建立在傳統注漿成型的基礎上衍變發展起來新型技術，20世紀90年代由美國橡樹嶺國家重點實驗室Omatete等提出并研發，其將傳統的成型工藝與有機化學理論完美的結合，其是采用凝膠體系中聚合反應形成高分子網絡結構把陶瓷粉體原位固化定型，所以又稱凝膠注模成型。
此工藝設備簡單、坯體強度高、收縮小、易制造復雜形狀的熔融石英陶瓷產品，與注漿成型相比成型效率更高，近20年來發展迅速。注漿成型的熔融石英陶瓷產品具有密度高、結構致密、強度高、耐磨性好、抗沖刷等特點，適合制造形狀簡單、密度和強度要求較高的產品。
由于其近凈尺寸生產、可成型復雜形狀的制品，已經成為了制備復雜陶瓷制品的新途徑，其具體工藝過程主要分為料漿制備、固化脫模、干燥排膠、燒結制品四個部分，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
注凝成型整個工藝過程中，料漿的制備是關鍵的一步。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，所以對于料漿的制備與性能的研究至關重要。
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。固相含量是指熔融石英粉與漿體的體積之比。從理論上來講，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度的增大，固相含量越高其坯體強度越大。
但是實際上，隨著固相含量的增大，黏度會隨著增大。這是因為隨著固相含量的增加，顆粒間的移動越困難，其黏度增大，流動性變差。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定性。
同時，pH值對于料漿黏度也是一個非常重要的影響因素，所以pH值對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，從而會束縛較多的水，導致膠體外的自由水的量減少；pH值較小時，雖然電位小，但是由于雙電層薄，從而膠體外的自由水增多，從而黏度也就會小一些。
分散劑在制備高固相含量的料漿體系中起著關鍵性的作用，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。
分散劑的用量對于漿體的分散效果影響很大，若分散劑加入量太少，會導致熔融石英粉末顆粒的表面不能完全被分散劑吸附，從而達不到分散的效果，這種現象就叫做不飽和吸附狀態。
分散劑的用量太多，會導致熔融石英粉末顆粒的表面吸附過多，造成雙電層過厚束縛更多的水，導致流動性變差，同時剩余的未吸附的分散劑顆粒會被高分子鏈橋接起來，從而抑制了顆粒間的自由運動，導致料漿的黏度變大，這種現象通常稱為過飽和狀態。
參考來源
何思慧.高致密性熔融石英陶瓷制備技術的研究
蔡德龍等.高溫透波陶瓷材料研究進展
曹運紅.用于導彈雷達天線罩的材料、工藝現狀及未來發展趨勢
