抗热震抗强腐蚀坩埚的研制

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锂辉石系统 ! 堇青石系统 锂辉石质 " 线膨胀系数 !$%+,%%$&’ ( "& 系统 $ 堇青石
质 "!-$+)!%%%$)’ ( "& 系统具有较小的热膨胀系数 $ 抗热 震性好 $但结构不够致密 $疏松粗糙 & 因此其抗腐蚀性 差 $其 中 的 低 温 元 素 易 与 电 子 陶 瓷 物 料 反 应 $化 学 稳 定性差不能采用 &
298 以氧化铝一磷酸锆复相材料制作的抗热震抗
强腐蚀坩埚 $ 不仅达到了电子陶瓷坩埚的使 用要求 $ 而且提高了使用寿命 $ 降低了成本及开支 %
使电子陶瓷的生产成本增大 $ 更重要的是影响 产品质 量 " 因在生产中发生坩埚炸裂现象 $ 则使得含铅的物料 散布于窑内 $ 不仅影响质量 $ 而且必须清理窑炉 &( 降低 生产效率 & 基于以上情况 $ 开发抗热震抗强腐蚀坩埚迫在 眉 睫&
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刚玉系统 刚玉是抗铅腐蚀最理想的材质# 其结构稳定(致
#
材质的选择
电子陶瓷生产条件苛刻$ 所烧物料含铅量高达
收稿日期 ! 2,,3-,4-,’ 作者简介 ! 李亚萍 $ 女 $ 高级工程师 % 研究方向 ! 特种陶瓷工艺 & 生产 %
了一种具有较高强度的耐高温抗热震材料磷酸锆 & 其 线膨胀系数为 %*0%%$ .( ( ""12% %$$"&’ 其结构稳定在
第 #, 卷 第 ’ 期
!!!! 中
国
陶
瓷
456+#, ++’ 789+ ’$$#
第’$$# 年第 !" 卷 #期 3月
中 国 陶 瓷 ’()*+ ’,-+.)’/
抗热震抗强腐蚀坩埚的研制
李亚萍! 江正廉! 任立琴
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要 " 本研究以氧化铝为基相 # 采用复相技术 $ 加入磷酸锆低膨胀相及中间过渡相 $ 提高材料的抗热震性 $ 使氧化铝 %
及 中 间 过 渡 相 等 $可 使 抗 热 震 性 &稳 定 抗 腐 蚀 性 及 致 密度有机地结合在一起而功能复合 $ 材料综合性能达 到最佳状态 $满足使用性能要求 %
!56’7 值未提高 $ 分析其原因主要是抗热震相磷酸锆
与刚玉的线膨胀系数相差较大 $ 匹配性差 $ 造成应力 $ 使 !56’7 值未提高 ( 二是抗热震相磷酸锆加入后 $ 烧 结性差 $瓷质结构粗糙致密度不够 $易吸铅 & 粘料 % 针 对 上 述 两 个 问 题 $调 整 技 术 路 线 $在 上 述 配 方 基础上引入中间过渡相 ; 其 ! 值在刚玉相与抗热震相
磷酸锆复相材料坩埚不仅稳定抗腐蚀性好 $ 同时具有良好的抗热震性 $ 提高了使用寿命 & 关键词 " 氧化铝 ’ 磷酸锆 ’ 复相 中图分类号 ! !"#$%&’( 文献标识码 ! ) 文章编号 !*+,#-./01 "2,,3#,2-,,,4-,2
($#以上 & 腐蚀性极强 $尤其严重的是强烈地破坏坩埚
降低线膨胀系数 $ 提高断裂强度及导热系数 $ 可 达到提高抗热震性的目的 ! 在刚玉基相中加入具有高 强度的抗热震相磷酸锆 -!#!$.%!#&’ ( " $ 刚玉的 !#/0$%
’
性能测试
-9 抗折强度 " !/"%&’ .9 抗热震性 " $56’7#8##"不裂 /9 使用次数 " #$# 次
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钛酸铝质系统 钛酸铝系统的线膨胀系数小 )!$$+’%%$.( ( "&# 抗热
震性好 #较致密 & 经试用与锆钛酸压电陶瓷有反应 #易 粘料 #而不能采用 &
%#)$" $ 含铅量 *($# $ 如锆钛酸铅压电陶料 $ 具有极强 的 腐蚀性 & $ 所使用的坩埚大都是刚玉质坩埚 $ 虽 然 其 耐腐蚀性好 $但由于热性能差 $使用寿命不到 %$ 次 $致
$
前
言
材 质 结 构 $大 幅 度 降 低 高 温 强 度 及 热 稳 定 性 $致 使 易 炸裂 & 再者 $电子陶瓷对性能要求较精密 & 要求坩埚化 学 稳 定 性 好 (结 构 稳 定 不 与 所 烧 产 品 反 应 ’二 是 要 求 坩 埚 致 密 度 高 $吸 收 铅 蒸 汽 少 $不 影 响 所 烧 物 料 的 成 份含量 & 故要求坩埚材质必须具备以下几个因素 ""%& 抗热震性好 ’"’& 抗强腐蚀 ( 化学稳定性好 ’"#& 具有高致 密度 & 从上分析得知 $ 寻找高温抗热震材料 $ 抗强腐蚀 ( 结构稳定材料是第一关 & 因此 $ 首先对材质进 行了探 索实验分析 &
#
复相实验
据资料及以往制作多相系统材质的经验 $ 确定 技
术路线为复相复合处理路线 ! 即将高抗腐蚀相 & 抗热 震相 & 稳定相进行复相处理 ! 从前一节可看出 $目前作 为抗铅腐蚀好的材料是刚玉 $ 但刚玉的致命弱 点是热 性能差 $ 如何改变致命弱点是问题的关键 ! 故采用刚 玉为基相 $ 加入抗热震相 & 稳定相复相处理 $ 来达到抗 腐蚀 & 稳定 & 抗热震 $ 达到使用寿命长的目的 ! 按照抗 热震公式 "
磷酸锆合成步骤如下 " 将氧氯化锆水溶液与磷 酸 水溶液按照反应配比混合搅拌 # 立即反应生成白色乳 胶状悬浮液 $ 反复冲洗烘干 $ 经 !(##" 煅烧 $ 则可获得 白色磷酸锆精细粉体 % 采用磷酸锆所制得的坩埚经试用其稳定性较 好 ! 对锆钛酸铅压电陶瓷物料无影响 !
$
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生产制备
浆料制备 刚 玉 基 相" 抗 热 震 相" 稳 定 相"
%($$"以下不发生分解 ’ 用此材料制成的磷酸锆陶瓷
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抗折强度高可达 !"#!$##%&’ !
中 国 陶 瓷
!""# 年第 ! 期
之间为 !#(9#!"9#%!#12 ( "3 使各相的线膨胀系数实现 梯度过渡 $ 提高热匹配性 $ 降低应力 ( 同时引入烧结促 进剂提高烧结性能 $ 使之致密烧结 % 而解决了上述 两 问题 $ 使抗热震性 & 抗腐蚀性 & 稳定性及致密度有机地 结合为一体 $达到最佳状态 $满足使用性能要求 %
!!"#$%
)’ 断裂强度 *’ 导热系数 ,’ 柏松比
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确保了化学稳定性与热震性不受影响 %
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烧成 烧成温度范围为 !(/#!!"$#" $ 烧成温度较刚玉
!’ 线膨胀系数 +’ 弹性模量
坩 埚 的 烧 成 温 度 !.## !!."#" $ 降 低 烧 成 温 度 约 $##" $大大降低了高温能耗 $节约成本开支 %
及坩埚 %
(
结
论
898 在高温箱式炉中 !(/#!!"$#" 烧成 % 89( 对强度 & 抗热震性及抗铅性进行测试 %
实验结果并未如愿$ 碰到了两大问题$ 一是
29! 磷酸锆材料具有低膨胀 -!#!$.%!#12 ( "3$ 高强 度 - 可达 !"#!$##%&’3$ 高温结构稳定 -!2##" 以下不发 生分解 3的优良性能 % 29$ 以氧化铝为基相 $采用复相技术 $ 添加磷酸锆
" 球磨 " 浆料
中间过渡相 " 烧结促进剂 "
$%!
成型 成型工艺为注浆成型工艺 % 由于抗热震相 $ 刚玉
基 相 为 瘠 性 料 $特 别 是 抗 热 震 相 磷 酸 锆 的 加 入 $使 注 浆料发散 $ 粘模而不能成型 % 故在添加剂方面采用有 机 添 加 剂 与 无 机 添 加 剂 结 合 $解 决 了 成 型 问 题 $同 时
密 #对 压 电 陶 瓷 产 品 性 能 无 影 响 #但 热 膨 胀 系 数 较 大
"!$/+’%%$.( ( "&#故其抗热震性差 # 使用寿命仅为几次 &
不能整体采用此材质 # 但可作为抗腐蚀相考虑 &
#%&
高温高强度抗热震材料 从上述几系统的分析看出 # 解决材质问题的关键
是必须开发一种在高温下具有高强度的抗热震材料 & 搜集分析了国内外有关方面的资料 # 用共沉淀法合成
!#12 ( "3$ 降低 ! 值 4可提高 !56’7 值 ! 按照此理论 $ 设
计配方进行试验 $实验步骤如下 "
89! 实 验 原 料 " 刚 玉 基 相 采 用 !#"!’ :)*+,( 磷 酸 锆 为 共 沉 淀 法 合 成 $!(##" 煅 烧 $ 再 粉 碎 处 理 为 !#" 细粉 ( 稳定相也为 !#" 细粉 % 89$ 将上述三种细粉按照配方进行配料 $加入有机 粘结剂与分散剂 $ 制成浆料 $ 成型 为 #. %.# 的 圆 试 条
在电子陶瓷 $ 各种荧光粉以及冶金 ( 化工等行业的 生产中都需要各种不同规格要求的坩埚等承烧用具 & 日 本 (美 国 在 这 方 面 已 发 展 到 较 高 水 准 $已 形 成 一 个 完整的产业部门 & 就电子行业的坩埚而言 $ 在采用材 质方面大体上经历了三个发展阶段 ""%& 五十年代大都 采 用 较 为 粗 糙 的 素 瓷 " 即 不 施 釉 的 陶 瓷 器 皿 &’ "’& 六 十 年代到八十年代初期$ 广泛使用高铝质和锆铝质材 料 ’"#& 八十年代末期到现在 $ 材质多样化 $ 有许多高性 能材质被发掘采用 & 概括地说 "特定的用途 $采用特定 的材质和相应的生产技术来生产坩埚 $ 且规格 实现了 系列化 & 日本市场上可提供 %($$ 多种坩埚 $供各行各 业选购 ’ 美国康宁公司有专门生产坩埚的分公 司 $ 产 品目录上列出了近 ’$$$ 个品种 $用户可以按自己的需 要选择对提高自己产品质量最有利 ( 最节约能 耗 ( 最 经济的坩埚 $从而得到最大的效益 & 国内坩埚承烧器发展远远落后于日本 ( 美国 & 我 国电子陶瓷行业由于生产条件苛刻 " 使用温度 %%$$ !