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除了耐火材料,莫来石陶瓷还能做些什么?
2021年12月16日    阅读量:74345    新闻来源:中网信息  |  投稿

莫来石陶瓷是主相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)的一类陶瓷的总称。可简单分为普通莫来石瓷和高纯莫来石瓷两大类,普通莫来石瓷以铝硅酸盐系天然矿物作为主要原料,因原料纯度低,杂质含量高,其组分除A12O3、SiO2外,还含有TiO2、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等不确定杂质,因而制品中有相当数量的玻璃相,致使其力学、热学性质较差,使莫来石陶瓷在高温下的优良性能不能得到充分发挥。高纯莫来石陶瓷采用人工合成的超细高纯莫来石粉末制备而成,它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点涂料在线coatingol.com。高性能莫来石在1300℃时抗弯强度可达570MPa,断裂韧性KIC达5.7MPa,均比常温时高1.6倍,这种随温度升高、强度和韧性不仅不衰减反而大幅度提高,是高纯莫来石陶瓷作为高温材料极佳的特性。

更为精细的原材料让莫来石突破了其作为普通耐火材料应用局限,高温下强度衰减较小,并且有很好的抗蠕变和抗热震性能的特性使高纯莫来石陶瓷作为一种高温结构材料也受到越来越多的重视。此外,莫来石陶瓷还在电子封装材料、汽车领域等有着重要的应用。

表:先来看看莫来石陶瓷的物理性质

性质

理论值

理论密度(g/cm3)

3.16~3.22

熔点(°C)

1850

泊松比

0.238~0.276

线膨胀系数(10-6/K)(25~1500°C)

5.6

热导率(W/(m·K))

5.45

介电常数(25°C,1MHz)

6.4~7.0

电阻率(20°C,Ώ·cm)

1018

抗弯强度(0 %气孔率,MPa)

250~500

断裂韧性(MPa·m1/2)

2~3

蠕变活化能(KJ/mol)

687~699


一、莫来石的应用前景


1、莫来石高温工程材料


莫来石陶瓷的室温强度较低,限制了其室温应用,但是由于它具有优良的抗蠕变和抗热震性,并且高温下室温强度衰减较小,再加上它在氧化环境下独特的热稳定性,因而莫来石陶瓷材料作为独特的高温材料日益引起了人们的重视。


应用案例

①我国研制的莫来石陶瓷缸盖底板在沙漠车上试用成功,初步显示该材料较好的应用前景。德国采用铝硅酸盐长纤维增韧的莫来石复合材料曾在螺旋桨飞机的排气装置上测试使用获得成功;


②日本的Chichbu水泥公司开发出了隧道窑中所用的莫来石陶瓷传送带,从而取代了不锈钢传送带,这种陶瓷传送带由高纯莫来石烧结制得,用于在1000 ℃以上烧结制备电子器械用陶瓷元件;


③莫来石陶瓷具有优异的抗高温气体腐蚀行,被广泛应用于金属熔融坩埚、高温防护管以及热电偶保护管等耐热材料。

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莫来石陶瓷法兰管高温保护炉管


2 、电子封装材料

莫来石的膨胀系数和介电系数低,恰好正是微电子工业中IC(集成电路)技术和SMT(表面贴装技术)技术发展所要求的。低的介电常数可导致信号迅速传递。在IC基片的信号传递中,信号传递的时间和相对介电系数成正比,由于莫来石介电系数低,使得纯莫来石基片传递信号速度比常用的氧化铝基片更快。在吸波材料上增加莫来石陶瓷后,不仅扩展了吸波材料的吸收频带,同时显著提高了吸波材料的吸收效率。


此外,莫来石的热膨胀稍高于硅,但是通过制备莫来石与玻璃以及(或)与低膨胀陶瓷(堇青石或锂辉石)复合材料,则可提高匹配性。


应用案例:

①日本Yamamar玻璃公司便开发出了承载半导体器件、感应线圈电容及电阻的莫来石玻璃陶瓷,其主要成分是45~50wt%的Al2O3、20~35wt%的SiO2和5~20wt%的MgO。

②日本日立公司采用当前工艺已推出了莫来石多层陶瓷封装材料。

③日本的NGK火花塞公司也开发了多层莫来石陶瓷,用于电子线路板,可减少信号的传播损失。

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莫来石在电子封装材料中的应用


3、汽车领域

莫来石陶瓷合金复合材料还可用于刹车片内衬,这种材料以Cu-Sn或Cu-Fe合金作为基体,其他种类陶瓷作为分散介质。莫来石和或者不超过30wt%的SiO2作为摩擦剂,石墨或铅作为润滑剂。比如通过挤压和轧波纹的方法可以制备出多孔莫来石基陶瓷材料。由于该材料比聚合物制备的刹车材料具有较好的耐热性和耐磨性,目前在飞机和高铁系统以及汽车刹车片方面已经广泛使用。因为这种材料比由石棉和高聚物制成的传统刹车材料具有较好的耐热性和耐久性且污染极少,所以在刹车盘、发动机和汽车汽轮机的高温燃烧器中得到青睐。


二、莫来石粉体的制备方法


天然的莫来石矿物比较少,这限制了其应用,所以研究者通常采用不同的制备方法来人工合成各种类型的莫来石粉体(图1)。其制备分为传统方法及湿化学法。传统方法(主要用于工业界)包括:电溶法、烧结法、固相反应合成法等;湿化学法(主要用于学术界)如:溶胶凝胶法、化学沉淀法、水热法等,其具体的制备方法及细节如下:


1、固相烧结法


高温固相反应法是以铝盐、硅盐、以及其他助溶剂为原料,首先在室温下使原料充分混合均匀,使原料不产生团聚,然后再高温下(1500°C~1800°C)保温一段时间,经过高温煅烧合成莫来石。


优点:操作工艺简单,工艺参数很容易控制,并且容易实现大规模生产。

缺点:粉体原料需要很长的时间混合均匀,且均匀度有限;产物在结构、粒度分布差异很大。

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溶胶-凝胶法制备的莫来石晶须


2、溶胶-凝胶法


此方法是以三价铝或者硅盐经水解形成溶胶,按照一定的计量数,并且用氨水来调节PH控制温度在374°C、压力21.7MPa,当液相完全消失,只有气相存在,最后将溶胶干燥所得。


优点:前驱体化学均匀性好,并且有较高的纯度;此外,反应过程容易控制,设备简单。

缺点:干燥收缩大,工业化生产难度大,合成周期长。

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溶胶-凝胶法制备的莫来石晶须


3、微波合成法


微波又称超高频电磁波,此种工艺是将铝原和硅为原料,在微波炉中以一定的条件,如波长频率为1m的电磁波,接着进行加热,使之发生反应,从而得到所需产品的一种新技术。


优点:此技术能够在短时间内、低温下合成纯度高、粒度细的陶瓷粉末。

缺点:大规模生产有一定的困难。

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微波合成莫来石


4、氧化物掺杂法

此方法是在铝源和硅源的原料中添加金属氧化物,利用在高温煅烧过程中这些金属氧化物能够形成液相的特性,从而起到高温熔体粘度的作用,从而使的莫来石晶体(晶须)从高温熔体中析出来。


优点:设备简单,时间周期短,原则性较大。

缺点:产生的液相较多,不利于产品的高温性能。

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氧化物掺杂物合成莫来石


5、熔盐法

熔融盐是指以工艺氧化铝为主要原料,硫酸盐为熔盐,通过一定的配方比,然后在球磨机中快速混料,造粒,选择粒子,半干压成型,然后在高温炉中以一定的温度和升温程序进行合成莫来石产品。


优点:熔融盐具有不同于水溶液的诸多性,如高温下的稳定性,在较宽温度范围内的低蒸汽压,低的粘度,具有良好的导电性,较高的离子迁移和扩散速度,高的热容量,具有溶解各种不同材料的能力等。

缺点:制备晶体时生长速度慢,生长周期长,并且晶体尺寸较小;此外,坩埚和熔盐对合成晶体有污染;许多熔盐具有不同程度的毒性,其挥发物常腐蚀或污染炉体和环境。

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熔盐法合成莫来石


在工业界,莫来石粉体制备中主要采用传统烧结法,但近年来随着先进设备和制造业的发展,普遍采用化学法,如溶胶-凝胶法和微波炉合成法,因为这样得到的粉体更加均匀,颗粒微细,纯度高,烧结程度好等优势,为新型莫来石陶瓷以及相关材料的发展和应用开辟了广阔的前景。


参考来源:

[1]耐高温陶瓷--金属复合材料制备及性能研究(华北电力大学(北京))

[2]莫来石晶须的生长机理研究.(陶瓷学报)


标签:行业资讯今日头条技术中心家装材料成品材料瓷砖陶瓷
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