中國粉體網訊 石英陶瓷是指以石英玻璃或熔融石英為原料，經破碎、成型、燒成等一系列制作工藝形成的制品。石英玻璃由于具有熱膨脹系數小、熱震穩定性好、電性能好、耐化學侵蝕性好等特點，得到了廣泛的應用，但其粘度大，揮發性也隨著溫度的升高而增加，難以用普通的工藝來生產大型、形狀復雜的制品；另外，由于價格昂貴，使其使用受到了限制。
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熔融石英陶瓷克服了石英玻璃不易制備形狀復雜制品的缺點，具備了石英玻璃的優良特性（如熱膨脹系數小、熱穩定性高等），而且還具有一些石英玻璃制品所不具備的性質，如發生少量析晶也仍可使用，并且其成本要遠低于石英玻璃制品。目前，熔融石英陶瓷主要用于耐火材料及高溫下能夠抵抗溫度變化的結構材料。
石英玻璃與石英陶瓷的性能比較
目前，國外一些發達國家具有較高的熔融石英陶瓷研發水平，可以根據使用條件的不同，開發設計出不同的熔融石英陶瓷產品，如美國Ceradyne公司生產的熔融石英陶瓷導彈天線罩，法國的Vesuvius公司生產的玻璃水平鋼化爐和金屬帶材熱處理用棍棒等。近年來，我國加強了石英陶瓷的研發力度，石英陶瓷品質有了很大的提高。
熔融石英陶瓷材料性能比較
石英陶瓷的成型
傳統成型工藝
目前，熔融石英陶瓷的生產普遍采用的成型工藝是注漿成型，其次還有離心澆注成型、澆灌成型、蠟注成型、半干法成型、等靜壓成型、石墨模熱壓成型與搗打成型等。
上述成型工藝制備的產品普遍存在著一些缺點：如制品坯體結構不均勻、性能可靠性差、僅限于形狀簡單的制品、生產工藝復雜、工藝條件難控制、效率低、成本較高等，難以適應大批量工業化生產的需要，特別是一些用于特殊用途的石英陶瓷制品，傳統的成型制備工藝已經不能滿足其特殊用途的性能要求。
隨著科學技術的發展，新成型方法不斷涌現，如注凝成型技術得到了較快的發展應用，已經成功應用于許多陶瓷的制備，如Al2O3陶瓷、SiC陶瓷等，石英陶瓷制備也已經開始應用注凝成型技術，并取得了較好的效果。
膠態成型技術
膠態成型所用的陶瓷料漿是由陶瓷粉料與水、有機物等介質組成的膠態體系。體系中的陶瓷顆粒分散性好，顆粒之間團聚少，并且陶瓷顆粒隨著膠態體系的流動而能夠成型為形狀復雜的坯體，因此膠態成型得到廣泛的應用。
膠態成型主要包括：注射成型、氣相輔助注射成型、直接凝固注模成型、溫度誘導成型、電泳沉積成型、注凝成型、壓濾成型和離心注漿成型等。
注射成型：是借助高分子聚合物高溫熔融、低溫凝固的特性使坯體成型后，再把有機物脫除。注射成型的優點是：可成型形狀復雜的制品、坯體尺寸精度高、制品結構均勻；缺點是：模具設計復雜、有機物排除困難等。
氣體輔助注射成型：是一種通過在聚合物熔體中加入氣體，使成型過程更容易進行的成型方式。其優點：由于在流動狀態下各方向的壓力相同，避免了料漿的定向行為，使坯體具有更好的尺寸穩定性，避免了坯體內部翹曲；氣體輔助成型的坯體具有更薄的管壁，即應用相同的原料可以生產管徑更大的產品，因此，降低了原料成本，提高了生產效率。缺點：料漿熱性質及工藝過程難以控制。
直接凝固注模成型（簡稱DCC）：由蘇黎世聯邦工業學院發明，它將生物酶技術、膠態化學及陶瓷工藝學溶為一體，通過改變料漿pH值，或者增加料漿體系中離子強度從而降低粉體表面電荷來成型，它成型所需要的料漿分散機理為靜電穩定。在DCC成型過程中，酶的作用重大，它通過分子合成及降解反應來改變陶瓷懸浮體的pH值或者離子強度，DCC工藝的主要優點：料漿不需有機添加劑，坯體不需脫脂，產品結構均勻，相對密度高，可采用此方法成型大尺寸、形狀復雜的產品。
溫度誘導成型（簡稱TIF）：由德國斯圖加特Max-Plank研究所發明。TIF成型原理：利用物質溶解度隨溫度的變化產生凝膠化成型。首先，用小分子分散劑穩定陶瓷顆粒，從而得到高固相含量的陶瓷料漿，然后，升高溫度利用溶解驅動力把陶瓷粉體吸附的分散劑變為聚合物大分子層，聚合物之間通過橋聯絮凝而成型。TIF制備的料漿固相含量高，有機物含量低，有利于制備結構陶瓷及功能陶瓷。TIF最大的優點是需要少量的有機添加劑，減輕了有機物的排除過程，坯體中的氣孔少，坯體的物理性能遠好于冷等靜壓成型制備的坯體。
電泳沉積成型（簡稱EC）：是以水基陶瓷漿料為基礎的成型工藝，其機理：利用直流電場中顆粒遷移，并沉淀到相反極上。整個工藝由2個串聯過程所組成：顆粒電泳遷移和顆粒在電極上放電沉積。電泳成型的陶瓷漿料應有良好的分散性，保證料漿顆粒能單獨沉淀到電極上。電泳沉積成型的優點是簡單、靈活、可靠，多用于多層陶瓷電容器、傳感器、梯度功能陶瓷、薄層陶瓷試管及各種材料的涂層的制備。
離心注漿成型（簡稱CSC）：結合了濕態粉末制備和無應力致密化技術的優點，用來制備大體積、近凈尺寸形狀的陶瓷產品，粉末濕態處理避免了由于團聚及其它影響因素造成的缺陷。
壓濾成型（簡稱PSC）：是在注漿成型基礎上加壓發展得到的。在PSC中，水是在壓力的驅動下脫除，并不是通過毛細管作用力脫除，速度快，提高了生產效率。在PSC中，壓力對成型坯體的性能有很大的影響。另一個重要的影響因素就是模具的設計，模具內氣孔尺寸及分布要在合適的范圍內。壓濾成型的缺點是成本過高。
壓濾成型示意圖
注凝成型工藝：是20世紀90年代以后出現的一種新的膠態成型工藝，是美國橡樹嶺國家實驗室M.A.Jammey等人首先發明的，是傳統的膠態成型工藝與有機化學理論的理想結合。其原理：將有機聚合物單體、交聯劑配成前驅體溶液，將陶瓷顆粒加入到前驅體溶液中，制成低粘度、高固相含量的料漿，然后加入引發劑及催化劑，將料漿注入模具中，在一定的溫度條件下，有機聚合物單體交聯聚合成三維網絡狀聚合物凝膠，并將陶瓷顆粒原位粘結而固化形成坯體，即原位固化。
注凝成型技術料漿中含有較低含量的有機物，提高了陶瓷部件結構的均勻性，增加了陶瓷材料的可靠性。該工藝實為注漿成型和聚合化學的復合，它巧妙地將傳統陶瓷工藝和聚合物化學結合起來，已成功的應用于多種結構陶瓷，如Al2O3、SiC、Si3N4、PZT等的工業化生產。
注凝成型的關鍵是促進陶瓷粉體形成濃懸浮體的分散劑，分散劑的選擇必須適合溶劑和有機單體的聚合反應。所以應充分了解分散劑—陶瓷粉體—有機溶劑—有機單體體系之間的相互影響。分散劑的分散效果因不同對象的陶瓷粉體而異。找到一種能普遍使用的分散劑是目前注凝成型工藝需要解決的一個技術關鍵。
注凝成型技術不但要求濃懸浮體的固體體積分數高，而且要求濃懸浮體的粘度低。因此陶瓷粉體在預混溶液中的分散效果的好壞是決定其制品的性能優劣的關鍵。濃懸浮體的粘度越低，流動性越好，不論制品的形狀多么復雜，濃懸浮體均能充滿模具的各個角落，使坯體形成缺陷的機會減少。濃懸浮體的粘度越低，在分散過程中進入角落中的氣泡越容易排除，使制品的顯微結構均勻，提高制品的強度和可靠性。
石英陶瓷的燒結
燒結是石英陶瓷生產中很重要的一個環節，它對石英陶瓷的物理化學性能有很大的影響。燒結石英陶瓷中的關鍵問題是保持材料的非晶態，即防止與杜絕非晶態SiO2在燒結時的方石英化。在實際生產中，應根據石英陶瓷本身所固有的特性來制定合理的燒結工藝制度，石英陶瓷制品的燒結工序既要保證制品燒結后有足夠的強度，又要控制制品的析晶及變形。不同尺寸及形狀的制品應通過實驗確定合理的燒成溫度及保溫時間。一般石英陶瓷的最高燒成溫度不超過1250℃，為避免析晶，900℃以上的高溫階段應快燒快冷。
注凝成型熔融石英陶瓷材料在燒結過程中，由于有機單體等有機物的燒失，而在干燥和燒成過程中幾乎沒有收縮，所以注凝成型石英陶瓷產品一般比注漿成型產品體積密度略低，并且在基體中存在20%左右的氣孔率，會影響其高溫抗侵蝕性能，一般通過改善其燒結性能來提高石英陶瓷的致密度和強度。
注凝成型技術路線圖
改善注凝成型石英陶瓷的燒結性能一般采用加入燒結助劑的方法，常用的燒結助劑有Si、SiC、CeO、Y2O3、H3BO3、B4C和Si3N4。研究表明：Si、SiC、CeO和Y2O3對熔融石英陶瓷的低溫燒結的促進作用較小；H3BO3和B4C能有效地促進熔融石英陶瓷的燒結，加入等量的H3BO3和B4C外加劑時，B4C對石英陶瓷燒結性能的影響明顯強于H3BO3，因此，B4C是熔融石英陶瓷的有效燒結劑，且隨著B4C加入量的提高，熔融石英陶瓷的體積密度增大，顯氣孔率明顯降低，耐壓強度增大。氮化硅也是一種理想的燒結助劑，其添加量在0.5%-2.5%時，有助于促進石英陶瓷的燒結，但不會影響燒結溫度，也不會導致熔融石英的析晶。
參考資料：
趙增寶：熔融石英陶瓷制備技術及性能檢測與表征
文定：注凝成型工藝制備熔融石英陶瓷過程的研究
郝洪順等：熔融石英陶瓷燒結工藝中的影響因素分析
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