石英陶瓷的致密烧结

    如果单纯以石英玻璃废料或熔融石英为原料，依照传统工艺不能制成致密的陶瓷烧结体，即吸水率低于2％的石英陶瓷。通过工艺实践研究已证实，使石英陶瓷致密化的方法，可通过以下途径加以解决：

    1、优化调整原料加工工艺，保证合理的颗粒级配，提高生坯体积密度，并通过适当的细磨增大原料颗粒的比表面积，以增大坯体的烧结动力。

    2、采用干坯浸渍工艺，提高坯体密度和细组分含量。

    3、选用适宜的添加物，通过液相烧结机理使英陶瓷致密化。

    通过以上途径，已制成烧结温度在重200℃，吸水率低于0.5％的石英陶瓷。

    一、石英陶瓷生产工艺简介

    1、原料

    主要原料为熔融石英碎块，其化学组成为：SiO2   98.25％；Al2O3  0.15％；Feo3  0.13％  游离碳0.21％；灼减  0.17％。

    选用的添加物原料为工业矿物或化学试剂，如：硼镁石、硅硼钙石、菱美矿、碳酸锂、工业氧化铝等。

    2、工艺简介

    将熔融石英原料粉碎至全部通过100目筛，然后用200目筛进行筛分，筛下物为细磨时的头料，筛上物为二料。

    人球磨细碎，球磨为橡胶内衬，以玛瑙球为研磨体。达到细度要求的泥浆，用石膏模型，注浆成型，脱模后干燥坯体。浸渍的坯体在1100℃左右焙烧，形成较高的强度，浸渍液为泥浆静置24小时后的上层胶溶体。配方中引入的添加物为不影响泥浆成型的性能，需将添加物各原料混磨后，经980-1000℃高温合成。烧结体压碎后与头料一起细磨。烧成要制订严格的升温曲线，烧成温度为1200℃，止火时保温重5分钟。

    二、工艺分析

    1、原料细磨时，加料方式对注浆生坯密度及烧结的影响

    实验证明，石英陶瓷的烧结机理主要是固相的表面扩散与坯体扩散，因此，提高坯体的密度和增加细颗粒比例有利于石英陶瓷的致密化。原料细碎采用二次加料方式有利于提高生坯密度和坯体烧结。这是因为一次加料时大部分颗粒为中间颗粒，二次加料时中间尺寸颗粒含量较少，于是注浆成型过程中可产生较密聚的堆积，有较高的生坯密度。生坯密度大，颗粒间的接触面积就大，为烧结时扩散提供了有利条件。

    同时，适当延长球磨时间，增加坯体中颗粒的比表面积，也可以促进坯体的致密烧结。但球磨时间过长，可能改变原料合理的颗粒分布，生坯密度反而降低，应严格监控。

    2、浸渍对石英陶瓷致密化的影响

    浸渍液为二氧化硅的胶体溶液，主要由细小的熔融石英粒子和硅酸溶胶组成。因胶体溶液稠度较高，可加入电解质改善其流动性和渗透能力。

    浸渍分别在常压和真空中进行。常压下浸渍时，由于坯体孔隙内气体阻碍，浸渍液很难渗透整个坯体，烧成后坯体表面的致密程度往往要比中心部位高。而在真空中浸渍，坯体内气体被排除，浸渍效果充分均匀，有效地提高了坯体的密度。坯体’浸渍后，化学组成没有变化，浸渍前后坯体的烧成收缩基本一致。浸渍作用明显地提高了坯体的密度和石英陶瓷的致密程度，而且不会影响石英陶瓷固有的良好热稳定性。

    3、添加物对石英陶瓷致密化的影响

    石英陶瓷致密烧结所需添加物应具备以下两个条件：(1)石英陶瓷的最高烧成温度应为：1200℃，提高烧成温度时有明显的方石英化，要求添加物有尽可能低的熔融温度。(2)为保持石英陶瓷的性能，要求添加物形成的玻璃相有非常低的与无定形二氧化硅相匹配的热膨胀系数。实验选择的两种添加物的配料组成范围是：

    Li2O-Al2O3-SiO2三元物系添加物，简称L添加物，其组成范围：Li2O：8～12  Al2O3：12～18  SiO2：70～80。

    MeO-Al2O3-B2O3-SiO2四元物系添加物，简称M添加物，其组成范围：

    碱土金属氧化物(MgO、CaO、BaO等)：15～20  Al203)：8～12  B2O3：30～36  SiO2：40～55。

    实验结果表明，无论是M添加物，还是L添加物，加入量在5～7.5％时，均可以在1200℃烧成温度中得到相对密度95％以上的致密烧结体。

    通过有、无添加物两种坯体在烧结过程的变化，可以了解到石英陶瓷致密烧结的机理。烧成温度在800℃以前，有添加物的石英陶瓷坯体没有烧结迹象。超过800℃时，添加物开始熔融，形成的液相玻璃充填在固相粒子之间，通过润湿和毛细血管力的作用，促使固态粒子紧密靠拢。当温度在80-1100℃之间时，液相量逐渐增加，烧成收缩亦不断增大。烧成温度在重100Pdl200℃时，不仅液相玻璃与固相粒子间发生反应，固相粒子的溶解使液相量有所增加，而且固态粒子间的物质扩散也很活跃，在这两种烧结机理共同作用下，坯体进一步致密化。在1200℃烧成温度下，有添加物坯体的吸水率只有0.2-0.3％，而烧成收缩在9％左右。

    无添加物坯体在1100℃温度之前，无明显烧结，坯体尺寸和气孔率几乎不变。温度在1100℃以上时，固相粒子间由于扩散作用而引起的致密化过程才活跃起来。由于无液相出现，所以在1200℃的烧成温度下，坯体的烧成收缩很小，开口气孔率仍很大，烧结体的吸水率达2％以上，即还未能达到完全烧结。

    石英陶瓷的机械强度与致密烧结程度成正比。有添加物的坯体可以得到致密烧结体，机械强度普遍高于无添加物的石英陶瓷。而热稳定性实验表明，尽管有添加物的石英陶瓷机械强度提高，但热稳定性有所下降，有添加物石英陶瓷的耐急冷急热的温度不超过800℃。

    这是因为坯体中存在热膨胀系数与无定形二氧化硅的热膨胀系数相差较大的异相玻璃。另外，有添加物的石英陶瓷结构中，气孔率大大下降，不利于受热冲击而产生的内应力的缓冲与吸收，也是热稳定性下降的辅助原因。

    但无论如何，M添加物和L添加物石英陶瓷的抗热冲击性能比普通的日用强化瓷的抗热冲击能力高许多，不失为一种良好的耐热陶瓷材料。