石英陶瓷的研究應用現狀及發展前景

摘 要 本文綜述了石英陶瓷的應用現狀，對其研究、應用進行了較為詳細的探討，然后介紹了石英陶瓷增強技術的發展情況，并對石英陶瓷的發展前景和趨勢作了介紹。

關鍵詞 石英陶瓷，應用

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點，又可采用陶瓷的一系列生產工藝。它是以熔融石英或石英玻璃為原料，經破碎、成形、燒成等一系列工序制備而成的產品，由美國Georgia 理工學院在20世紀60年代研制成功并于1963年投入批量生產[1～2]。

石英陶瓷具有導熱性低、膨脹系數小、耐高溫、熱穩定性好，以及與其他品種石英玻璃相比成本低等優點。石英陶瓷還有一個最大的優點，就是在1100℃以下，其強度隨著溫度的升高而大大增加，從室溫至1100℃，其強度可增加33%。由于具有上述許多優良的性質，因此自問世以來，迅速得到了推廣及應用，其應用領域也涉及到宇宙飛船、火箭、導彈、雷達、原子能、電子、鋼鐵、煉焦、有色金屬、玻璃等工業領域。

2石英陶瓷的應用

石英陶瓷目前已大量用于連續鑄鋼中的長型水口及浸入式水口磚，浮法玻璃生產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，以及鋁生產中的氧化爐磚等冶金、化工、建材、國防及科研等部門。

2.1玻璃生產中應用的石英陶瓷產品及其性能

石英陶瓷制品具有熱震穩定性好、熱膨脹系數小、導熱系數小、高溫尺寸穩定、對玻璃無污染、容易制作異型、大件制品，且可加工性能好等特性，近年來被國外先進的浮法玻璃企業應用于熱工設備的某些關鍵部位，取得了明顯的效果，因而很快成為浮法玻璃行業的一種新興材料。石英陶瓷在浮法玻璃上的應用主要有如下幾方面：

2.1.1 石英陶瓷輥

目前國內的玻璃工業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心圓柱體輥子，兩端裝配有鋼軸頭，而應用到浮法生產線過渡輥臺以及退火窯輥道的該類輥棒為空心管狀的輥子，和目前應用的耐熱鋼輥子相似。我國石英陶瓷輥已由山東工業陶瓷研究設計院于1993年研制成功，填補了國內空白。設計好的石英陶瓷輥在安裝時，要用調心軸承，輕放小心安裝，使用時要先干燥，將瓷輥水分充分烘干，并且要保持其轉動狀態以防止變形[4～5]。

石英陶瓷輥是推動有關行業技術進步的高技術產品，在金屬帶材熱處理爐中代替石墨輥和陶瓷涂層輥作為爐底輥使用，可有效地解決氧化和結痂問題，使用壽命延長8～12倍，且可提高熱處理溫度從而提高金屬帶材的檔次和質量。

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量，使生產高質量薄玻璃時的氧化錫附著現象明顯減少，同時減少了玻璃底部表面的過冷卻現象從而消除了應力裂紋，對降低生產成本、提高產品質量和檔次具有明顯的作用。

2.1.2石英陶瓷孔板和底托

在生產水平鋼化玻璃時，玻璃板在加熱和冷卻過程中依靠冷熱燃氣——空氣墊支撐，這種冷熱氣墊由流向玻璃底面的許多氣流組成。為了構成熱氣墊，使用由孔板和底托構成的裝置。

2.1.3石英陶瓷內澆口杯

內澆口杯是玻璃成形機最大最復雜的液滴內澆口陶瓷件。這種制品由于結構復雜、尺寸大而難以生產，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。這種復雜結構的內澆口杯靠石膏模泥漿澆注成形。

2.1.4石英陶瓷導氣噴嘴

它配置于不同的溫度區：1400～1410℃，1445～1450℃，1475～1480℃，1500～1510℃，使用期限在18個月以上，而耐火粘土噴嘴在相同的條件下使用還不足20天。

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℃的工作介質下的使用次數在35周期以上，而耐火粘土攪拌器僅為1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30～55天。

2.1.7石英陶瓷調節閘板

該產品用于調節玻璃料流，使用期限為6～9個月。另外，廣泛使用的還有各種規格的玻璃熔窯用石英陶瓷襯磚、風嘴、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、熱拋光玻璃生產用擋板、坩堝等。

2.2 在冶金工業中的應用及研究

熔融石英水口是我國連續鑄鋼用耐火材料的品種之一。趙旭光等對熔融石英澆注泥漿的顆粒級配和外加劑以及相應的配套工藝進行了系統的研究，其效果十分顯著，產品的指標達到國外同類產品的先進水平。采用真空浸漬處理工藝，在熔融石英水口的空隙內填充一些離子，從而減少氣孔，有效增密，提高了產品強度[6～7]。

宋海峰等[8]對用于鋁合金、鎂合金等的低壓鑄造的石英陶瓷升液管的研究現狀進行了論述，指出石英陶瓷升液管具有非浸潤性，極好的抗鋁合金、鎂合金沖擊性，熱震穩定性好，高的耐金屬熔體侵蝕性和良好的機械性能。

熔融石英同等厚度型殼質量小，熱膨脹系數小，有利于防止脫蠟和焙燒過程中型殼開裂和變形，同時對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，脫殼性能好，常用于精鑄工業中[9]。

2001年美國著名耐火材料生產廠商Minco公司公布了對美國熔模鑄造企業型殼耐火材料使用現狀的調查統計數據，在美國精鑄業中，熔融石英的使用僅次于鋁～硅系材料，遠遠超過鋯石等其他耐火材料[10]。

李永全等[11]研制的熔融石英質側封板不僅耐急冷急熱性能十分突出，而且熱導率低并具有優良的耐熔鋼侵蝕性，良好的隔熱性能，同時具有良好的耐磨性能，能保證側封板與結晶輥之間良好的動態密封，其產品基本上能滿足薄帶連鑄試驗條件下的側封任務。

2.3 在航空航天工業中的應用及研究

2.3.1 耐高溫材料

石英陶瓷具有很高的高溫粘度，在2500℃以上高速穿過大氣層時的損壞速度只有0.025mm/s。石英陶瓷可用作航天飛行器的隔熱材料。同時，石英陶瓷還可用于火箭發動機的噴嘴、頭部及前室等部位[8，12]。

2.3.2 石英陶瓷在天線罩中的應用

石英陶瓷具有極小的線膨脹系數（約 0.5×10-6K-1 ），較好的抗熱沖擊性能，低的介電常數（3.0～3.5）和損耗角正切（小于0.0004），且隨溫度變化小；導熱系數小，熱防護能力好；強度隨溫度的升高而升高；制造工藝相對簡單，成本較低。因此長期以來，石英陶瓷是超音速導彈天線罩的主要材料。它可以滿足對雷達波透過損失小和畸變小的要求，又滿足了導彈氣動外形、耐氣動加熱和結構強度等方面的要求。國外不同型號、不同空域的導彈，如美國的“愛國者”、“潘興Ⅱ號”及意大利的“Aspide”導彈、美國陸軍“Sam-D”導彈的天線罩均使用熔融石英陶瓷[13～15]。

2.4 石英陶瓷在高溫部件中的應用和研究

張文麗等[16]用石英玻璃廢料和晶相發育良好的預合成堇青石，并添加部分粘土制成了性能優良的窯具材料，該材料的膨脹系數小，有優異的熱震穩定性，既能承受溫度頻繁的劇變又能在高溫下承受一定的載荷，是一種使用壽命長的理想窯具材料。李曉明等[17]用莫來石結合熔融石英制得了方石英析晶很少、具有優良熱穩定性的窯具。章秦娟[18]對提高熔融石英匣缽質量進行了研究，從原料配方、細度、顆粒級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（8～10目顆粒比例從20%提高到40%），制得的產品壽命由原來的10～15次提高到40～50次。

2.5 石英陶瓷在電工行業的應用

石英陶瓷在常溫和高溫下具有高的擊穿電壓、低的介電常數和損耗角正切，以及熱震穩定性好、導熱率低、高溫性能好的特點，是性能優異的電熱絕緣體和光波反射體。它在原子設備中性能穩定，是唯一防快中子和輻射作用的材料。用石英陶瓷可制成應用于水泥工業、化學工業、熱電廠等的濾波器。石英陶瓷構件可用于熱電加熱器中[19]。

在電工行業，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、導流加熱器、電弧預熱器(熱保護導流罩)、滅弧罩、化纖機預熱爐用絕緣器件、電除塵石英管、光量子發生器的光源器件、氣體激光放電室元件以及其他一些熱電絕緣器件。另外，還可以將鎳鉻絲預成形到石英陶瓷制品內部再燒成為最終產品以及在石英陶瓷板或管上涂覆導電膜的電加熱元件[8]。

2.6 石英陶瓷在耐腐蝕件中的應用

石英陶瓷因其化學穩定性好、熱震穩定性好、導熱率低、高溫性能好等特點，從而在化工行業中得到廣泛應用。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部有空腔或通道的板，反應設備及管路系統的壁面用磚、三通、漏斗、坩堝、螺旋推進器等。

2.7 石英陶瓷的其他應用

隨著綠色環保能源不斷被重視和發展，太陽能作為綠色能源受到世界各國的普遍重視，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用的主要消耗材料，此種坩堝純度高、內在質量好、高溫性能好，對多晶硅無污染，使用溫度可達1450℃以上。石英陶瓷已被太陽能用硅生產行業和領域所認可并應用。

精密直線電機驅動平臺中，運動平臺受直線電機初級部件發熱影響最大，所以精密平臺應選擇導熱系數和熱膨脹系數小、對溫度變化不敏感的材料，石英陶瓷是此類平臺比較理想的陶瓷材料[20]。

石英陶瓷具有高白度及相應的反射能力，被視為固體激光器的最佳材料。作為光波量子發生器的發光體部件，石英陶瓷反射器無可比擬。石英陶瓷制品已成功地應用于工業連續式激光器中。

3石英陶瓷添加劑的研究現狀

李友勝等[21]為改善熔融石英陶瓷材料的低溫燒結性能，選用石英玻璃粉為主要原料，研究了H3BO3、B4C、Si、SiC、CeO2和Y2O3六種外加劑對熔融石英陶瓷燒結性能的影響。結果表明：添加Si、SiC、CeO2和Y2O3時對熔融石英陶瓷低溫燒結的促進作用較小；H3BO3和B4C高溫下能增加材料中的液相生成量，加快材料的擴散傳質，從而能有效地促進熔融石英陶瓷的燒結。

韓國志[22]研究了氮化硅對石英陶瓷的影響，研究發現：氮化硅有助于石英陶瓷的燒結，而對燒結溫度無影響。在1150～1200℃的溫度范圍內，添加0.5%～1.5%的氮化硅不會引起石英玻璃的析晶，石英陶瓷的強度、體積密度隨氮化硅添加量的增大和燒結溫度的提高而增大，而石英陶瓷的顯氣孔率隨氮化硅添加量的增大和燒結溫度的升高而減小。

韓歡慶等發明的熔融石英陶瓷材料以 SiO2為基并加入1%～8%BN，為提高材料的抗彎強度，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。該材料與現有技術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度防熱陶瓷部件。

有人對稀土摻雜石英陶瓷進行了研究，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工藝得到稀土摻雜石英陶瓷，該產品具有抗光輻射、超高頻輻射、電離輻射的優異性能，并且能經受溫度的急劇變化和耐熱沖擊[23]。此外，高冬云等[24]還對石英陶瓷的增強方法作了概述，提出增強的四種方法：加入纖維、晶須、第二相顆粒及表面壓應力增強。

4石英陶瓷的發展現狀與趨勢

目前，國外生產熔融石英陶瓷制品的廠家主要有美國、法國、日本及俄羅斯的幾家公司。國外產品具有較高的密度、強度和均勻性，但價格昂貴。

我國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，國內一些耐火材料廠相繼生產同類產品。值得一提的是，山東工陶院近幾年來對石英陶瓷的研究取得了眾多成果，廣泛應用于玻璃、冶金、軍工、電工等行業中。同時他們不斷有新產品出現，部分產品甚至可以取代國外的產品。

國內熔融石英陶瓷制品與國外同類產品相比，主要存在體積密度低、顯氣孔率高、結構疏松、致密性和均勻性差等問題，國內多數石英陶瓷生產廠家生產工藝落后、產品單一、質量差，大多靠質次價廉的低檔次產品維持生計。

石英陶瓷新產品不斷出現的同時，石英陶瓷的生產工藝也在不斷發展，如成形工藝中，采取了較為先進的凝膠注模成形法，使燒結產品密度達到理論密度的87%，同時還提高了產品的精度，燒結產品不用加工就可直接使用[25]。

隨著國外各種石英陶瓷新產品不斷登陸以及國內各行業對產品質量要求的日益提高，傳統產品已逐漸不能滿足有關行業的需要。進口產品質量雖好，但價格昂貴，況且進口產品也并不盡如人意，國內許多廠家正在開發質優價宜的石英陶瓷產品來替代進口產品，滿足國內的需求，石英陶瓷的研究以及應用都有廣闊和美好的前景。

隨著工業技術的發展及石英陶瓷制備技術的不斷完善和提高，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和領域所認知并應用。

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