1、石英陶瓷的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景1 前言石英陶瓷是一種新型高純耐高溫石英材料, 它既保留了石英玻璃的諸多優(yōu)點(diǎn)1, 又可采用陶瓷的一系列生產(chǎn)工藝。它是以熔融石英或石英玻璃為原料2, 經(jīng)破碎、成形、燒成等一系列工序制備而成的產(chǎn)品3, 由美國(guó)Georgia 理工學(xué)院在20 世紀(jì)60 年代研制成功并于1963 年投入批量生產(chǎn)45。石英陶瓷具有導(dǎo)熱性低、膨脹系數(shù)小、耐高溫、熱穩(wěn)定性好, 以及與其他品種石英玻璃相比成本低等優(yōu)點(diǎn)。石英陶瓷還有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn), 就是在1100以下, 其強(qiáng)度隨著溫度的升高而大大增加, 從室溫至1100, 其強(qiáng)度可增加33%6。由于具有上述許多優(yōu)良的性質(zhì), 因此自問世以船、火箭7

2、、導(dǎo)彈、雷達(dá)、原子能、電子、鋼鐵、煉焦、有色金屬、玻璃等工業(yè)領(lǐng)域8。2 石英陶瓷的應(yīng)用石英陶瓷目前已大量用于連續(xù)鑄鋼中的長(zhǎng)型水口及浸入式水口磚, 浮法玻璃生產(chǎn)過程中的閘板磚及流槽, 器皿玻璃熔窯成形部之料碗、料盆、勻料筒, 特種玻璃熔化用的坩堝, 玻璃水平鋼化爐用石英陶瓷, 以及鋁生產(chǎn)中的氧化爐磚等冶金、化工、建材、國(guó)防及科研等部門。2.1 玻璃生產(chǎn)中應(yīng)用的石英陶瓷產(chǎn)品及其性能石英陶瓷制品具有熱震穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小9、導(dǎo)熱系數(shù)小、高溫尺寸穩(wěn)定、對(duì)玻璃無污染、容易制作異型、大件制品, 且可加工性能好等特性, 近年來被國(guó)外先進(jìn)的浮法玻璃企業(yè)應(yīng)用于熱工設(shè)備的某些關(guān)鍵部位, 取得了明顯的效果, 因

3、而很快成為浮法玻璃行業(yè)的一種新興材料。石英陶瓷在浮法玻璃上的應(yīng)用主要有如下幾方面:2.1.1 石英陶瓷輥目前國(guó)內(nèi)的玻璃工業(yè)石英陶瓷輥主要用于水平鋼化電爐輥道。該類型的石英陶瓷輥棒為實(shí)心圓柱體輥?zhàn)? 兩端裝配有鋼軸頭, 而應(yīng)用到浮法生產(chǎn)線過渡輥臺(tái)以及退火窯輥道的該類輥棒為空心管狀的輥?zhàn)? 和目前應(yīng)用的耐熱鋼輥?zhàn)酉嗨啤Ｎ覈?guó)石英陶瓷輥已由山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院于1993 年研制成功, 填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。設(shè)計(jì)好的石英陶瓷輥在安裝時(shí), 要用調(diào)心軸承, 輕放小心安裝,使用時(shí)要先干燥, 將瓷輥水分充分烘干, 并且要保持其轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)以防止變形1011。石英陶瓷輥是推動(dòng)有關(guān)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的高技術(shù)產(chǎn)品, 在金屬帶材熱處

4、理爐中代替石墨輥和陶瓷涂層輥?zhàn)鳛闋t底輥使用, 可有效地解決氧化和結(jié)痂問題, 使用壽命延長(zhǎng)812 倍, 且可提高熱處理溫度從而提高金屬帶材的檔次和質(zhì)量。在浮法玻璃退火窯中作為爐底輥使用, 可大大減少厚玻璃底部表面的缺陷數(shù)量, 使生產(chǎn)高質(zhì)量薄玻璃時(shí)的氧化錫附著現(xiàn)象明顯減少, 同時(shí)減少了玻璃底部表面的過冷卻現(xiàn)象從而消除了應(yīng)力裂紋, 對(duì)降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和檔次具有明顯的作用。2.1.2 石英陶瓷孔板和底托在生產(chǎn)水平鋼化玻璃時(shí), 玻璃板在加熱和冷卻過程中依靠冷熱燃?xì)饪諝鈮|支撐, 這種冷熱氣墊由流向玻璃底面的許多氣流組成。為了構(gòu)成熱氣墊, 使用由孔板和底托構(gòu)成的裝置。2.1.3 石英陶瓷內(nèi)澆口杯內(nèi)

5、澆口杯是玻璃成形機(jī)最大最復(fù)雜的液滴內(nèi)澆口陶瓷件。這種制品由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大而難以生產(chǎn), 它具有不同直徑的孔眼, 其外表面圍有加厚帶和筋骨, 造成了殼體厚度的明顯差別。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)澆口杯靠石膏模泥漿澆注成形12。2.1.4 石英陶瓷導(dǎo)氣噴嘴它配置于不同的溫度區(qū): 1 4001 410 , 1 4451450, 14751480, 15001510, 使用期限在18 個(gè)月以上, 而耐火粘土噴嘴在相同的條件下使用還不足20天13。2.1.5 石英陶瓷攪拌器使用溫度1400左右, 攪拌器同在X 射線掃描高鋰玻璃熔窯上, 在1330的工作介質(zhì)下的使用次數(shù)在35 周期以上, 而耐火粘土攪拌器僅為1

6、周期。2.1.6 石英陶瓷柱塞這種柱塞用于定量輸供玻璃料, 使用溫度1200左右, 使用壽命3055 天。2.1.7 石英陶瓷調(diào)節(jié)閘板該產(chǎn)品用于調(diào)節(jié)玻璃料流, 使用期限為69 個(gè)月。另外, 廣泛使用的還有各種規(guī)格的玻璃熔窯用石英陶瓷襯磚、風(fēng)嘴、給料器襯件和裝配球頭、玻璃軟化成形窯用浮雕陰模和成形板、熱拋光玻璃生產(chǎn)用擋板、坩堝等。2.2 在冶金工業(yè)中的應(yīng)用及研究熔融石英水口是我國(guó)連續(xù)鑄鋼用耐火材料的品種之一。趙旭光等對(duì)熔融石英澆注泥漿的顆粒級(jí)配和外加劑以及相應(yīng)的配套工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究, 其效果十分顯著, 產(chǎn)品的指標(biāo)達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。采用真空浸漬處理工藝, 在熔融石英水口的空隙內(nèi)填充一

7、些離子, 從而減少氣孔, 有效增密, 提高了產(chǎn)品強(qiáng)度1415。宋海峰等16對(duì)用于鋁合金、鎂合金等的低壓鑄造的石英陶瓷升液管的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述, 指出石英陶瓷升液管具有非浸潤(rùn)性, 極好的抗鋁合金、鎂合金沖擊性, 熱震穩(wěn)定性好, 高的耐金屬熔體侵蝕性和良好的機(jī)械性能。熔融石英同等厚度型殼質(zhì)量小, 熱膨脹系數(shù)小, 有利于防止脫蠟和焙燒過程中型殼開裂和變形, 同時(shí)對(duì)提高鑄件尺寸精度也甚為有利, 熔融石英型殼透氣性高, 高溫抗蠕變能力強(qiáng), 脫殼性能好, 常用于精鑄工業(yè)中17。2001 年美國(guó)著名耐火材料生產(chǎn)廠商Minco 公司公布了對(duì)美國(guó)熔模鑄造企業(yè)型殼耐火材料使用現(xiàn)狀的調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 在美國(guó)精鑄業(yè)中

8、, 熔融石英的使用僅次于鋁硅系材料, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋯石等其他耐火材料18。李永全等19研制的熔融石英質(zhì)側(cè)封板不僅耐急冷急熱性能十分突出, 而且熱導(dǎo)率低并具有優(yōu)良的耐熔鋼侵蝕性, 良好的隔熱性能, 同時(shí)具有良好的耐磨性能, 能保證側(cè)封板與結(jié)晶輥之間良好的動(dòng)態(tài)密封, 其產(chǎn)品基本上能滿足薄帶連鑄試驗(yàn)條件下的側(cè)封任務(wù)。2.3 在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用及研究2.3.1 耐高溫材料石英陶瓷具有很高的高溫粘度, 在2 500以上高速穿過大氣層時(shí)的損壞速度只有0.025mm/s。石英陶瓷可用作航天飛行器的隔熱材料。同時(shí), 石英陶瓷還可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴、頭部及前室等部位20。2.3.2 石英陶瓷在天線罩中的應(yīng)用石

9、英陶瓷具有極小的線膨脹系數(shù)( 約0.5×10-6K-1 ) ,較好的抗熱沖擊性能, 低的介電常數(shù)( 3.03.5) 和損耗角正切( 小于0.0004) , 且隨溫度變化小; 導(dǎo)熱系數(shù)小, 熱防護(hù)能力好; 強(qiáng)度隨溫度的升高而升高; 制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單, 成本較低。因此長(zhǎng)期以來, 石英陶瓷是超音速導(dǎo)彈天線罩的主要材料。它可以滿足對(duì)雷達(dá)波透過損失小和畸變小的要求, 又滿足了導(dǎo)彈氣動(dòng)外形、耐氣動(dòng)加熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面的要求。國(guó)外不同型號(hào)、不同空域的導(dǎo)彈, 如美國(guó)的“愛國(guó)者”、“潘興號(hào)”及意大利的“Aspide”導(dǎo)彈、美國(guó)陸軍“Sam-D”導(dǎo)彈的天線罩均使用熔融石英陶瓷2122。2.4 石英陶瓷在

10、高溫部件中的應(yīng)用和研究張文麗等23用石英玻璃廢料和晶相發(fā)育良好的預(yù)合成堇青石, 并添加部分粘土制成了性能優(yōu)良的窯具材料, 該材料的膨脹系數(shù)小, 有優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性, 既能承受溫度頻繁的劇變又能在高溫下承受一定的載荷, 是一種使用壽命長(zhǎng)的理想窯具材料。李曉明等24用莫來石結(jié)合熔融石英制得了方石英析晶很少、具有優(yōu)良熱穩(wěn)定性的窯具。章秦娟25對(duì)提高熔融石英匣缽質(zhì)量進(jìn)行了研究, 從原料配方、細(xì)度、顆粒級(jí)配及裝燒等工藝入手, 通過提高匣缽中熔融石英含量, 增加粗顆粒比例( 810 目顆粒比例從20%提高到40%) , 制得的產(chǎn)品壽命由原來的1015 次提高到4050 次26。2.5 石英陶瓷在電工行業(yè)的

11、應(yīng)用石英陶瓷在常溫和高溫下具有高的擊穿電壓、低的介電常數(shù)和損耗角正切, 以及熱震穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、高溫性能好的特點(diǎn), 是性能優(yōu)異的電熱絕緣體和光波反射體。它在原子設(shè)備中性能穩(wěn)定, 是唯一防快中子和輻射作用的材料。用石英陶瓷可制成應(yīng)用于水泥工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、熱電廠等的濾波器。石英陶瓷構(gòu)件可用于熱電加熱器中27。在電工行業(yè), 石英陶瓷廣泛用作氣體放電室用絕緣罩、大功率電阻爐加熱器爐體、導(dǎo)流加熱器、電弧預(yù)熱器(熱保護(hù)導(dǎo)流罩)、滅弧罩、化纖機(jī)預(yù)熱爐用絕緣器件、電除塵石英管、光量子發(fā)生器的光源器件、氣體激光放電室元件以及其他一些熱電絕緣器件。另外, 還可以將鎳鉻絲預(yù)成形到石英陶瓷制品內(nèi)部再燒成為最終產(chǎn)品

12、以及在石英陶瓷板或管上涂覆導(dǎo)電膜的電加熱元件28。2.6 石英陶瓷在耐腐蝕件中的應(yīng)用石英陶瓷因其化學(xué)穩(wěn)定性好、熱震穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、高溫性能好等特點(diǎn), 從而在化工行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。其制品形狀各異, 包括斷面形狀為圓形、橢圓形及其他形狀的管, 表面有平行或正弦形的溝槽或通道以及內(nèi)部有空腔或通道的板, 反應(yīng)設(shè)備及管路系統(tǒng)的壁面用磚、三通、漏斗、坩堝、螺旋推進(jìn)器等。2.7 石英陶瓷的其他應(yīng)用隨著綠色環(huán)保能源不斷被重視和發(fā)展, 太陽能作為綠色能源受到世界各國(guó)的普遍重視, 大尺寸方形石英陶瓷坩堝是太陽能電池用多晶硅鑄錠生產(chǎn)用的主要消耗材料, 此種坩堝純度高、內(nèi)在質(zhì)量好、高溫性能好, 對(duì)多晶硅無污染,

13、 使用溫度可達(dá)1 450以上。石英陶瓷已被太陽能用硅生產(chǎn)行業(yè)和領(lǐng)域所認(rèn)可并應(yīng)用。精密直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)中, 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)受直線電機(jī)初級(jí)部件發(fā)熱影響最大, 所以精密平臺(tái)應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小、對(duì)溫度變化不敏感的材料, 石英陶瓷是此類平臺(tái)比較理想的陶瓷材料29。石英陶瓷具有高白度及相應(yīng)的反射能力, 被視為固體激光器的最佳材料。作為光波量子發(fā)生器的發(fā)光體部件, 石英陶瓷反射器無可比擬。石英陶瓷制品已成功地應(yīng)用于工業(yè)連續(xù)式激光器中。3 石英陶瓷添加劑的研究現(xiàn)狀李友勝等30為改善熔融石英陶瓷材料的低溫?zé)Y(jié)性能, 選用石英玻璃粉為主要原料, 研究了H3BO3、B4C、Si、SiC、CeO2 和Y2O3 六

14、種外加劑對(duì)熔融石英陶瓷燒結(jié)性能的影響。結(jié)果表明: 添加Si、SiC、CeO2 和Y2O3 時(shí)對(duì)熔融石英陶瓷低溫?zé)Y(jié)的促進(jìn)作用較小; H3BO3 和B4C 高溫下能增加材料中的液相生成量, 加快材料的擴(kuò)散傳質(zhì), 從而能有效地促進(jìn)熔融石英陶瓷的燒結(jié)。韓國(guó)志31研究了氮化硅對(duì)石英陶瓷的影響, 研究發(fā)現(xiàn): 氮化硅有助于石英陶瓷的燒結(jié), 而對(duì)燒結(jié)溫度無影響。在1 1501 200的溫度范圍內(nèi), 添加0.5%1.5%的氮化硅不會(huì)引起石英玻璃的析晶, 石英陶瓷的強(qiáng)度、體積密度隨氮化硅添加量的增大和燒結(jié)溫度的提高而增大,而石英陶瓷的顯氣孔率隨氮化硅添加量的增大和燒結(jié)溫度的升高而減小。韓歡慶等發(fā)明的熔融石英陶瓷

15、材料以SiO2 為基并加入1%8%BN, 為提高材料的抗彎強(qiáng)度, 還可在該材料中加入10%20%的短碳纖維Csf 或碳化硅晶須SiCw 中的任一種原料。該材料與現(xiàn)有技術(shù)相比不但綜合性能好, 而且析晶溫度明顯提高, 特別適合于制備各種高強(qiáng)度防熱陶瓷部件。有人對(duì)稀土摻雜石英陶瓷進(jìn)行了研究, 利用烷氧基硅烷和稀土化合物, 通過溶膠- 凝膠法制備稀土摻雜石英粉, 然后通過成形和燒結(jié)工藝得到稀土摻雜石英陶瓷,該產(chǎn)品具有抗光輻射、超高頻輻射、電離輻射的優(yōu)異性能, 并且能經(jīng)受溫度的急劇變化和耐熱沖擊32。此外, 高冬云等33還對(duì)石英陶瓷的增強(qiáng)方法作了概述, 提出增強(qiáng)的四種方法: 加入纖維、晶須、第二相顆粒及

16、表面壓應(yīng)力增強(qiáng)。4 石英陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)目前, 國(guó)外生產(chǎn)熔融石英陶瓷制品的廠家主要有美國(guó)、法國(guó)、日本及俄羅斯的幾家公司。國(guó)外產(chǎn)品具有較高的密度、強(qiáng)度和均勻性, 但價(jià)格昂貴。我國(guó)熔融石英陶瓷的研究自1972 年由洛陽耐火材料研究所首次研究成功以來, 國(guó)內(nèi)一些耐火材料廠相繼生產(chǎn)同類產(chǎn)品。值得一提的是, 山東工陶院近幾年來對(duì)石英陶瓷的研究取得了眾多成果, 廣泛應(yīng)用于玻璃、冶金、軍工、電工等行業(yè)中。同時(shí)他們不斷有新產(chǎn)品出現(xiàn), 部分產(chǎn)品甚至可以取代國(guó)外的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)熔融石英陶瓷制品與國(guó)外同類產(chǎn)品相比, 主要存在體積密度低、顯氣孔率高、結(jié)構(gòu)疏松、致密性和均勻性差等問題, 國(guó)內(nèi)多數(shù)石英陶瓷生產(chǎn)廠家生產(chǎn)工藝

17、落后、產(chǎn)品單一、質(zhì)量差, 大多靠質(zhì)次價(jià)廉的低檔次產(chǎn)品維持生計(jì)。石英陶瓷新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)的同時(shí), 石英陶瓷的生產(chǎn)工藝也在不斷發(fā)展, 如成形工藝中, 采取了較為先進(jìn)的凝膠注模成形法,使燒結(jié)產(chǎn)品密度達(dá)到理論密度的87%, 同時(shí)還提高了產(chǎn)品的精度, 燒結(jié)產(chǎn)品不用加工就可直接使用。隨著國(guó)外各種石英陶瓷新產(chǎn)品不斷登陸以及國(guó)內(nèi)各行業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的日益提高, 傳統(tǒng)產(chǎn)品已逐漸不能滿足有關(guān)行業(yè)的需要。進(jìn)口產(chǎn)品質(zhì)量雖好, 但價(jià)格昂貴,況且進(jìn)口產(chǎn)品也并不盡如人意, 國(guó)內(nèi)許多廠家正在開發(fā)質(zhì)優(yōu)價(jià)宜的石英陶瓷產(chǎn)品來替代進(jìn)口產(chǎn)品, 滿足國(guó)內(nèi)的需求, 石英陶瓷的研究以及應(yīng)用都有廣闊和美好的前景。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展及石英陶瓷制備

18、技術(shù)的不斷完善和提高, 以及石英陶瓷研究的不斷深入, 石英陶瓷正在被更多的行業(yè)和領(lǐng)域所認(rèn)知并應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1I.M. Abdulagatov*, S.N. Emirov, T.A. Tsomaeva, Kh.A. Gairbekov, S.Ya. Askerov,N.A. Magomedova. Thermal conductivity of fused quartz and quartz ceramic at high temperatures and high pressures.2 E.D. Devyatkova, A.R. Petrova, I.A. Smirnov, Solid St

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