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鄒小姐：13326633089 -
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莫來(lái)石陶瓷是主相為莫來(lái)石（3Al2O3·2SiO2）的一類陶瓷的總稱?？珊?jiǎn)單分為普通莫來(lái)石瓷和高純莫來(lái)石瓷兩大類，普通莫來(lái)石瓷以鋁硅酸鹽系天然礦物作為主要原料，因原料純度低，雜質(zhì)含量高，其組分除A12O3、SiO2外，還含有TiO2、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等不確定雜質(zhì)，因而制品中有相當(dāng)數(shù)量的玻璃相，致使其力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)較差，使莫來(lái)石陶瓷在高溫下的優(yōu)良性能不能得到充分發(fā)揮。高純莫來(lái)石陶瓷采用人工合成的超細(xì)高純莫來(lái)石粉末制備而成，它具有膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性極好、荷重軟化點(diǎn)高、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學(xué)腐蝕性好等特點(diǎn)。高性能莫來(lái)石在1300℃時(shí)抗彎強(qiáng)度可達(dá)570MPa，斷裂韌性KIC達(dá)5.7MPa，均比常溫時(shí)高1.6倍，這種隨溫度升高、強(qiáng)度和韌性不僅不衰減反而大幅度提高，是高純莫來(lái)石陶瓷作為高溫材料極佳的特性。
更為精細(xì)的原材料讓莫來(lái)石突破了其作為普通耐火材料應(yīng)用局限，高溫下強(qiáng)度衰減較小，并且有很好的抗蠕變和抗熱震性能的特性使高純莫來(lái)石陶瓷作為一種高溫結(jié)構(gòu)材料也受到越來(lái)越多的重視。此外，莫來(lái)石陶瓷還在電子封裝材料、汽車領(lǐng)域等有著重要的應(yīng)用。
表：先來(lái)看看莫來(lái)石陶瓷的物理性質(zhì)
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性質(zhì) |
理論值 |
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理論密度（g/cm3） |
3.16~3.22 |
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熔點(diǎn)（°C） |
1850 |
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泊松比 |
0.238~0.276 |
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線膨脹系數(shù)（10-6/K）（25~1500°C） |
5.6 |
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熱導(dǎo)率（W/(m?K)） |
5.45 |
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介電常數(shù)（25°C，1MHz） |
6.4~7.0 |
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電阻率（20°C，??cm） |
1018 |
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抗彎強(qiáng)度（0 %氣孔率，MPa） |
250~500 |
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斷裂韌性（MPa?m1/2） |
2~3 |
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蠕變活化能（KJ/mol） |
687~699 |
莫來(lái)石的應(yīng)用前景
一、莫來(lái)石高溫工程材料
莫來(lái)石陶瓷的室溫強(qiáng)度較低，限制了其室溫應(yīng)用，但是由于它具有優(yōu)良的抗蠕變和抗熱震性，并且高溫下室溫強(qiáng)度衰減較小，再加上它在氧化環(huán)境下獨(dú)特的熱穩(wěn)定性，因而莫來(lái)石陶瓷材料作為獨(dú)特的高溫材料日益引起了人們的重視。
應(yīng)用案例
①我國(guó)研制的莫來(lái)石陶瓷缸蓋底板在沙漠車上試用成功，初步顯示該材料較好的應(yīng)用前景。德國(guó)采用鋁硅酸鹽長(zhǎng)纖維增韌的莫來(lái)石復(fù)合材料曾在螺旋槳飛機(jī)的排氣裝置上測(cè)試使用獲得成功；
②日本的Chichbu水泥公司開(kāi)發(fā)出了隧道窯中所用的莫來(lái)石陶瓷傳送帶，從而取代了不銹鋼傳送帶，這種陶瓷傳送帶由高純莫來(lái)石燒結(jié)制得，用于在 1000 ℃以上燒結(jié)制備電子器械用陶瓷元件；
③莫來(lái)石陶瓷具有優(yōu)異的抗高溫氣體腐蝕行，被廣泛應(yīng)用于金屬熔融坩堝、高溫防護(hù)管以及熱電偶保護(hù)管等耐熱材料。
莫來(lái)石陶瓷法蘭管 高溫保護(hù)爐管
二、電子封裝材料
莫來(lái)石的膨脹系數(shù)和介電系數(shù)低，恰好正是微電子工業(yè)中IC（集成電路）技術(shù)和SMT（ 表面貼裝技術(shù)）技術(shù)發(fā)展所要求的。低的介電常數(shù)可導(dǎo)致信號(hào)迅速傳遞。在IC基片的信號(hào)傳遞中，信號(hào)傳遞的時(shí)間和相對(duì)介電系數(shù)成正比，由于莫來(lái)石介電系數(shù)低，使得純莫來(lái)石基片傳遞信號(hào)速度比常用的氧化鋁基片更快。在吸波材料上增加莫來(lái)石陶瓷后，不僅擴(kuò)展了吸波材料的吸收頻帶，同時(shí)顯著提高了吸波材料的吸收效率。
此外，莫來(lái)石的熱膨脹稍高于硅，但是通過(guò)制備莫來(lái)石與玻璃以及（或）與低膨脹陶瓷（堇青石或鋰輝石）復(fù)合材料，則可提高匹配性。
應(yīng)用案例：
①日本Yamamar玻璃公司便開(kāi)發(fā)出了承載半導(dǎo)體器件、感應(yīng)線圈電容及電阻的莫來(lái)石玻璃陶瓷，其主要成分是45~50 wt%的Al2O3、20~35 wt%的SiO2和5~20 wt%的MgO。
②日本日立公司采用當(dāng)前工藝已推出了莫來(lái)石多層陶瓷封裝材料。
③日本的NGK火花塞公司也開(kāi)發(fā)了多層莫來(lái)石陶瓷，用于電子線路板，可減少信號(hào)的傳播損失。
莫來(lái)石在電子封裝材料中的應(yīng)用
三、汽車領(lǐng)域
莫來(lái)石陶瓷合金復(fù)合材料還可用于剎車片內(nèi)襯，這種材料以Cu-Sn或Cu-Fe合金作為基體，其他種類陶瓷作為分散介質(zhì)。莫來(lái)石和或者不超過(guò)30 wt%的SiO2作為摩擦劑，石墨或鉛作為潤(rùn)滑劑。比如通過(guò)擠壓和軋波紋的方法可以制備出多孔莫來(lái)石基陶瓷材料。由于該材料比聚合物制備的剎車材料具有較好的耐熱性和耐磨性，目前在飛機(jī)和高鐵系統(tǒng)以及汽車剎車片方面已經(jīng)廣泛使用。因?yàn)檫@種材料比由石棉和高聚物制成的傳統(tǒng)剎車材料具有較好的耐熱性和耐久性且污染極少，所以在剎車盤、發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車汽輪機(jī)的高溫燃燒器中得到青睞。
莫來(lái)石粉體的制備方法
天然的莫來(lái)石礦物比較少，這限制了其應(yīng)用，所以研究者通常采用不同的制備方法來(lái)人工合成各種類型的莫來(lái)石粉體（圖1）。其制備分為傳統(tǒng)方法及濕化學(xué)法。傳統(tǒng)方法（主要用于工業(yè)界）包括：電溶法、燒結(jié)法、固相反應(yīng)合成法等；濕化學(xué)法（主要用于學(xué)術(shù)界）如：溶膠凝膠法、化學(xué)沉淀法、水熱法等，其具體的制備方法及細(xì)節(jié)如下：
一、固相燒結(jié)法
高溫固相反應(yīng)法是以鋁鹽、硅鹽、以及其他助溶劑為原料，首先在室溫下使原料充分混合均勻，使原料不產(chǎn)生團(tuán)聚，然后再高溫下（1500°C~1800°C）保溫一段時(shí)間，經(jīng)過(guò)高溫煅燒合成莫來(lái)石。
優(yōu)點(diǎn)：操作工藝簡(jiǎn)單，工藝參數(shù)很容易控制，并且容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
缺點(diǎn)：粉體原料需要很長(zhǎng)的時(shí)間混合均勻，且均勻度有限；產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)、粒度分布差異很大。
溶膠-凝膠法制備的莫來(lái)石晶須
二、溶膠-凝膠法
此方法是以三價(jià)鋁或者硅鹽經(jīng)水解形成溶膠，按照一定的計(jì)量數(shù)，并且用氨水來(lái)調(diào)節(jié)PH控制溫度在374 °C、壓力21.7 MPa，當(dāng)液相完全消失，只有氣相存在，最后將溶膠干燥所得。
優(yōu)點(diǎn)：前驅(qū)體化學(xué)均勻性好，并且有較高的純度；此外，反應(yīng)過(guò)程容易控制，設(shè)備簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn)：干燥收縮大，工業(yè)化生產(chǎn)難度大，合成周期長(zhǎng)。
溶膠-凝膠法制備的莫來(lái)石晶須
三、微波合成法
微波又稱超高頻電磁波，此種工藝是將鋁原和硅為原料，在微波爐中以一定的條件，如波長(zhǎng)頻率為1m的電磁波，接著進(jìn)行加熱，使之發(fā)生反應(yīng)，從而得到所需產(chǎn)品的一種新技術(shù)。
優(yōu)點(diǎn)：此技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)、低溫下合成純度高、粒度細(xì)的陶瓷粉末。
缺點(diǎn)：大規(guī)模生產(chǎn)有一定的困難。
微波合成莫來(lái)石
四、氧化物摻雜法
此方法是在鋁源和硅源的原料中添加金屬氧化物，利用在高溫煅燒過(guò)程中這些金屬氧化物能夠形成液相的特性，從而起到高溫熔體粘度的作用，從而使的莫來(lái)石晶體（晶須）從高溫熔體中析出來(lái)。
優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，時(shí)間周期短，原則性較大。
缺點(diǎn)：產(chǎn)生的液相較多，不利于產(chǎn)品的高溫性能。
氧化物摻雜物合成莫來(lái)石
五、熔鹽法
熔融鹽是指以工藝氧化鋁為主要原料，硫酸鹽為熔鹽，通過(guò)一定的配方比，然后在球磨機(jī)中快速混料，造粒，選擇粒子，半干壓成型，然后在高溫爐中以一定的溫度和升溫程序進(jìn)行合成莫來(lái)石產(chǎn)品。
優(yōu)點(diǎn)：熔融鹽具有不同于水溶液的諸多性，如高溫下的穩(wěn)定性，在較寬溫度范圍內(nèi)的低蒸汽壓，低的粘度，具有良好的導(dǎo)電性，較高的離子遷移和擴(kuò)散速度，高的熱容量，具有溶解各種不同材料的能力等。
缺點(diǎn)：制備晶體時(shí)生長(zhǎng)速度慢，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，并且晶體尺寸較小；此外，坩堝和熔鹽對(duì)合成晶體有污染；許多熔鹽具有不同程度的毒性，其揮發(fā)物常腐蝕或污染爐體和環(huán)境。
熔鹽法合成莫來(lái)石
在工業(yè)界，莫來(lái)石粉體制備中主要采用傳統(tǒng)燒結(jié)法，但近年來(lái)隨著先進(jìn)設(shè)備和制造業(yè)的發(fā)展，普遍采用化學(xué)法，如溶膠-凝膠法和微波爐合成法，因?yàn)檫@樣得到的粉體更加均勻，顆粒微細(xì)，純度高，燒結(jié)程度好等優(yōu)勢(shì)，為新型莫來(lái)石陶瓷以及相關(guān)材料的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。
參考來(lái)源：
[1] 耐高溫陶瓷--金屬?gòu)?fù)合材料制備及性能研究 （華北電力大學(xué)(北京)）
[2] 莫來(lái)石晶須的生長(zhǎng)機(jī)理研究. （陶瓷學(xué)報(bào)）
作者：小陳
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