熔融石英陶瓷的性能及其应用

作者简介： 吕锋 % #,"$ - ) ， 男， 硕士研究生， 高级工程师 . 主要从事石英陶瓷的研究 .
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温时间的长短，应根据熔融石英原料的纯度与泥浆的 粒度情况来决定。熔融石英原料很纯， 杂质混入量少， 烧成温度可高一点， 石英玻璃纯度差， 可低一点 &( ! 注凝成型法 石英陶瓷制备的注凝成型工艺是 $& 世纪 ’& 年代 以来出现的一种新的胶态成型工艺，是美国橡树岭国 家实验室 ()**+, - . 教授等首先发明的。 其思路是将 低粒度高固相体积分数的悬浮体，在催化剂和引发剂 的作用下，使浓悬浮体中的有机单体交联聚合成三维 网状结构， 从而使悬浮体原位固化成型。 此工艺设备简 单， 坯体强度高， 收缩小， 易制造复杂形状的零部件， 是 一种实用性强、 应用前景广阔的成型工艺。 从最近几年的应用情况看，陶瓷的注凝成型技术 被认为最有实际应用价值，引起国内外陶瓷工作者的 极大兴趣。 在实际生产中， 通常使用丙烯酰胺作为有机 单体， 亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂， 过硫酸胺水溶液 作为引发剂， 四甲基乙二胺作为催化剂， 同时使用分散 剂， 可获得满意的效果。 注凝工艺流程极类似于传统的注浆成型工艺，无 须贵重的设备投资， 节省了石膏模具的车间和费用， 是 一种典型的低投入， 低成本型技术。 可以用于成型形状 复杂的零件和大截面制品。并且注凝工艺的注模操作 于凝胶定型过程完全分离， 料浆凝胶化时间完全可控， 湿凝胶坯体坚韧且有弹性， 容易脱模， 由于注凝工艺是 靠有机单体原位聚合反应， 形成凝胶体， 故坯体组分与 结构均匀， 缺陷少， 不易出现密度梯度分布问题， 由于 有机物质量分数仅为陶瓷粉料的 $/ 0 1/ ，坯体干燥 脱水及有机物烧除相对简单，可使成型坯体达到较好 的内在质量， 提高成品率。 影响注凝工艺质量的因素主 要有：2 3 4 料浆达到既有高石英粉体含量， 又具有良好 流动性， 需系统研究分析影响料浆流动性的因素， 特别 是要选用高效能的有机分散剂；2 $ 4 引发剂、 催化剂和 温度条件对于熔融石英陶瓷料浆的影响也较大，掌握 其影响规律 5 有效而准确地控制料浆的凝胶化时间， 使 2 ! 4 干燥脱水技术是影 注凝工艺适用于工业化生产线； 响坯体质量和生产效率的重要因素， 除需研究温度、 湿 度、通风条件等对湿凝胶坯体干燥脱水和变形收缩的 影响规律外， 还需针对不同零件采取不同的工艺措施， 2 6 4 有机结合剂的热分解规 提出相应的干燥脱水技术； 律及脱除制度，干燥坯体中 $/ 0 1/ 的有机物需加热 !"
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应用
石英陶瓷作为一种新型材料，其应用领域一直受
到人们的关注， 到目前为止， 石英陶瓷凭着自己优良的 特性， 已经在许多领域中取得了不可替代的地位。 $( & 在冶金行业的应用 熔融石英陶瓷的线胀系数低，其制品具有较高的 热稳定性，在黑色和有色冶金方面取得了广泛的应 用。 在铸钢作业中， 采用浸入式水口保护法浇注是解决 连续铸钢板坯纵裂的一项关键措施，也是提高一般连 续铸刚质量的一项重要措施，由于浸入式水口所处的 条件要比一般水口苛刻，使用中浸入式水口的头部要 插入钢液和保护渣中，使水口内外同时处于高温受热 状态， 而水口另一部分则露在空气中。因此， 对浸入式 水口的材质要求有好的热稳定性， 能经受钢水冲刷， 耐 保护渣侵蚀， 以及低的导热性。 常用的一些耐火材料已 经不能适用这一要求，而熔融石英则凭借得天独厚的 特性， 成为浸入式水口的首选材料之一 # $ % 。 $( ! 电工方面的应用 电气绝缘器应适应各种不同工作条件的要求，除 对电压进行绝缘外，还要耐高温或抗热震或抗热气放 电等。例如导电加热器的绝缘器， 电弧预热器 （ 隔热偏 的绝缘器以及其它装置和仪器的绝缘器， 都要具 转器） 有优越的耐火耐热性能。 飞机汽车等的发动机、 火花塞 绝缘子均需抗温差骤变，因此它应具有较好的热震性 能。 安装在气体放电室内的机壳绝缘器和隔热板， 应抗 热气放电。传统的绝缘器通常只能达到 $ 种或最多 & 种高指标， 不能较好地满足使用要求， 而熔融石英陶瓷 却同时具有介电强度、 耐火耐热的特点， 从而可以应用 到电热绝缘器和光波反射器。 石英陶瓷能制造出适合各种条件的绝缘结构，具 有高的介电强度， 在一般温度和高温下的击穿电压高， 介电数值低，介电损失角正切值低和热绝缘性能好等 特点， 这就保证了该材料在电工技术中的广泛应用。 $( $ 在浮法玻璃工业中的应用 在浮法玻璃的生产中，石英陶瓷得到了很好的应 用， 作为流量调节闸板、 盖板砖、 胸墙砖、 支撑砖、 压缝
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在此种泥浆中， 粗颗粒 &!3 微粒具有很好的结合性能， 也不会因重力而很快沉降，当小于 &!3 的微粒较少， 粗粒多时， 在浇注过程中， 泥浆即发生沉淀现象， 造成 注坯密度与气孔率的不均匀。当小于 &!3 的微粒太 多， 则因其脱水困难， 造成脱模时间过长， 并且在烧成 中， 熔融石英还易转化成方石英， 造成析晶。 因而， 泥浆 过细， 对干燥和烧成均不利。泥浆的密度要适宜， 在泥 浆粒度组成合适， 流动性良好时， 泥浆的密度越大， 注 坯密度越高。当泥浆密度越小时， 易造成注坯空心， 而 且脱模时间也长。当泥浆的密度大时， 流动性差， 泥浆 易发生触变。 泥浆的温度是影响泥浆流动性的外界因素，对注 浆泥料性能及浇注操作影响甚大， 因此， 必须维持注浆 室内温度在一定范围内。 由于熔融石英泥浆易凝结成块， 因此磨好的泥浆， 在球磨停止转动后，应及时倒出，不宜在球磨机中存 放。根据同一道理，从球磨倒出的泥浆应尽快进行浇 注， 不宜存放。 % $ ) 浇注成型： 浇注成型工艺一般采用石膏模振动 浇注， 在浇注时， 采取一次注浆和压力成型法， 将性能 适合浇注要求的泥浆倒入石膏模内并进行振动。 % ! ) 干燥： 由于硅胶粒子脱水困难， 因此脱模后的 砖坯应缓慢自然干燥一段时间，当自然干燥水分脱去
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其它高温陶瓷，可用于绝缘材料，也是导弹和雷达天 线罩的良好材料。
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砖等。 实践证明在这些方面的应用都是成功的， 并且在 无碱玻璃和高硅氧玻璃的生产中，使用石英陶瓷的下 料碗砖也很成功， 现已得到了广泛的应用。 石英陶瓷在 玻璃工业中的应用， 从数量上讲仍然以浮法玻璃为主， 之所以能较为理想地得到应用，除去玻璃生产本身工 艺决定外， 还有以下几个方面满足了生产的需要， 也是 其它材料无可比拟的。 ’ $ ( 石英陶瓷的成分是单一的 )*+& , 其它物质都属 于 杂 质 ， 石 英 陶 瓷 制 品 中 )*+& 含 量 实 际 都 达 到 了 ""- ./ , )*+& 正是玻璃的主要成分。石英陶瓷作为闸 板砖， 如果被侵蚀下来也不会造成玻璃的污染。 从而在 很大程度上保证了玻璃的质量不受影响，闸板砖在使 用中的侵蚀主要是玻璃液流动冲刷造成的，而化学反 应造成的侵蚀只在第 & 位。 ’ & ( 石英陶瓷的耐火度较高， 一般都在 $0112 以 上，对于玻璃液来讲，闸板砖处的温度也只在 $$.12 左右， 这个温度对石英陶瓷来讲， 属于中低温条件下使 用， 不会因为使用温度高造成闸板砖的破坏。 ’ ! ( 石英陶瓷的烧成温度严格控制在 $&112 以 下，这时的石英陶瓷在微观上仍然属于微细石英玻璃 颗粒集合体， 依然保持了石英玻璃的特性。 在使用温度 条件下， 粘度大于 $ 3 $14 56・7， 不易被玻璃液冲刷掉， 保证了使用寿命，减少了更换次数和更换所耽误的生 产时间， 有利于提高企业的经济效益。 ’ 8 ( 由于石英陶瓷的线胀系数低， 对玻璃的生产来 讲有一定的意义， 使用闸板砖时， 高度方向的各部温度 不同， 不会因为各部温度差别造成闸板砖膨胀量不同， 避免了使用时的炸裂。对于其它各部位所用的石英陶 瓷制品和闸板砖一样，都是利用了石英陶瓷的某一个 或几个特点，如盖板砖是利用了化学成分的 )*+& 和线 胀系数小的 & 个特点，因为线胀系数小，不易热胀冷 缩， 造成掉渣， 即使掉一点也是微细的 )*+& ， 不会造成 对玻璃表面的污染。 目前， 山东工业陶瓷研究设计院生产的闸板砖， 盖 板砖等制品，不但内在质量已经超过了先进国家的水 平， 而且由于对制品进行了冷加工， 使其尺寸公差均被 控制在 1- .99 内， 制品的表面光洁度也达到了很高的 标准， 从而使制品的外在质量也达到了很高的水平， 不 但保证了产品与其它部分的安装配合，并且使制品在 耐冲刷侵蚀方面也有了一定程度的提高 # . % 。 !"
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熔融石英陶瓷的制备
生产石英陶瓷按照成型方法来分： 泥浆浇注成型、
注凝成型、 蜡注成型、 半干法成型、 等静压成型、 热压成 型与捣打成型等。 为了提高制品的强度与降低气孔率， 也采用将烧后制品用有机或无机溶液进行浸渍的方 法。目前， 在实际生产当中， 最常用的成型方法是泥浆 浇注成型法和注凝成型法。 #. # 注浆成型法 工艺流程：
% # ) 泥浆制备
一般采用 $ 种方式： 一步制浆和两
步制浆，一步制浆是将熔融石英料的细磨和配浆同时 进行，两步制浆是先将熔融石英原料磨成细粉然后再 配制泥浆。 影响泥浆性能的指标主要有： 泥浆的粒度组成， 泥 浆的密度， 流动性与 12 值等。 泥浆的粒度组成， 一般以 小于 &!3 的微粒在 !’4 - (’4 为宜，这是因为小于
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特性
热性能 与一般陶瓷和耐火材料相比，石英陶瓷的优良物
理性能是其特性之一， 它不仅线胀系数和高温蠕变小， 而且热稳定性和耐 “ 老化” 性能好。通常石英陶瓷的线 胀系数为 &7 16 8 3& 9 : ; < 。较小线胀系数的石英陶瓷 必然具有稳定的高温蠕变性。石英陶瓷的高温蠕变有 一个剧增阶段和一个停止阶段，当温度一旦达到变形 起始温度时，则变形量急速增加，基本呈线性正比关 系。 其中对于密度较小的石英陶瓷， 在起始温度附近有 一转折点， 折点前的变形速度较小， 折点后则较大。不 过石英陶瓷高温蠕变变形速度与温度的线性关系仅在 一定范围内成立， 一旦温度超过极限值时， 此规律即被 破坏 # $ % 。 石英陶瓷的导热系数低， 接触热阻大。 其导热系数 随温度的升高而相应增大，在温度低于 3$&&< 范围 内， 导热系数增大速率较慢， 而当温度高于 3$&&< 时， 则成倍地增长。 正是由于石英陶瓷的低线胀系数， 因而 也具有相当的热稳定性，石英陶瓷在急冷急热的工作 环境中时， 不爆裂， 不破坏， 与其厚度及表面热流密度 关系不大。 石英陶瓷的热稳定性与其密度关系为： 密度越大， 热稳定性越差， 密度越小， 热稳定性越好， 但其热稳定 性一直优于一般陶瓷。 !( ! 化学稳定性 石英陶瓷具有良好的化学稳定性，除氢氟酸及 盐酸、 硫酸、 硝酸 !&&< 以上的热浓磷酸对其有侵蚀外， 等对石英陶瓷几乎没有作用。 锂、 钠、 钾、 铀、 铯、 锌、 镉、 铟、 碲、 铅、 砷、 铋等金属熔体对石英陶瓷也几乎没有作 用。耐玻璃液侵蚀性也很好。 !( $ 电性能 石英陶瓷的电性质很好。电阻很大，其介电常数 与介电损耗角正切随温度的变化都远远低于氧化铝等
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熔融石英陶瓷的性能及其应用
$ 吕锋 #，
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% # 山东大学材料学院， 济南 摘
$ 中材高新材料股份有限公司， 淄博 $&’’(# ；
制浆
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成型
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干燥
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烧成
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Fra Baidu bibliotek
成品
坯体可进入烘室在 6’ - #$’7 下进行干燥， 直 5’4 后， 至制品中的含水量达到要求后， 即可入窑烧成。 在干燥 过程中，制品几乎没有收缩，干燥后的坯体气孔率在 耐压强度可达 $’89: 以上。 #&4 - $64 ， % 6 ) 烧成：熔融石英在 #$’’7 以上时会转化为方 石英； 另外， 硅胶脱水困难以及产生的水蒸气对烧成有 不良影响， 因此， 烧成制度应是低温时缓慢升温， 高温 时快速升温 ; 使坯体在低温时充分脱水。 烧成温度与保
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烧除， 所以需对有机物开始热分解的温度， 不同温度下 的热分解速度及完全烧除的最高温度等进行研究，从 而制定合理的烧除工艺。 对于不同尺寸、 形状的零件需 采用相应的措施，这是保证坯体质量和提高生产率的 重要环节 # 6 % 。
要 * 介绍了石英陶瓷的性能特点、 制备过程及应用领域
关键词 * 石英陶瓷 + 性能 + 应用
熔融石英陶瓷是在 #,(! 年后才发展起来的一种 以石英玻璃为原料特种耐火材料，采用陶瓷的生产工 艺制造的，其成本要比透明石英玻璃制品低很多，甚 至低 #’ - #’’ 倍。它不但具备了石英玻璃的优良特 性， 如线胀系数小， 具有优良的热稳定性、 电性能、 核 性能以及耐化学侵蚀性。而且还具有一些石英玻璃制 品所缺乏的性质。如石英玻璃制品在使用时发生失 透，即损坏报废，而石英陶瓷制品即使发生析晶也仍 可使用。此外， 由于熔融石英陶瓷导热性差， 因此可应 用到宇宙飞船， 火箭， 导弹， 原子能工业， 电子工业， 以 及一般冶金，建材与化学工业，是一种很有前途的材 料