毕业论文《石英陶瓷制备工艺研究进展》.doc

1、摘要石英陶瓷是一种新开发的耐火耐高温材料，具有线膨胀系数小、热震稳定性好、化学稳定性好、电性能好、核性能好、低导热率等特点，受到众多行业的青睐，广泛应用于玻璃、 冶金、 电工、航空航天等领域。 本文对石英陶瓷的制备工艺进行综述，主要综述成型工艺（注浆成型和注凝成型）和烧结工艺（常压烧结）的研究进展，并介绍了石英陶瓷的应用领域，总结了石英陶瓷在成型和烧结时现存的问题及相应的解决措施，最后对石英陶瓷的发展前景作出展望。采用先进的注凝成型方法和常压烧结方法可以制备出更精密的石英陶瓷制品。关键词： 石英陶瓷 注浆成型 注凝成型 常压烧结 应用特性目录摘要I第一章绪论11.1 石英陶瓷的简介11.2 石

2、英陶瓷的国内外现状21.2.1 国外现状21.2.2 国内现状21.3 本课题研究的意义和内容4第二章 石英陶瓷的制备工艺研究52.1 石英陶瓷的成型工艺研究52.1.1 注浆成型52.1.2 注凝成型62.2 石英陶瓷的烧结工艺研究82.2.1 烧结过程92.2.2 烧成原则102.2.3 影响烧结的因素10第三章 石英陶瓷的性能及应用133.1 石英陶瓷的特性133.2 石英陶瓷的应用14第四章 石英陶瓷现存问题及解决措施174.1 色斑174.1.1 色斑产生的原因174.1.2 色斑解决措施174.2 裂纹及蚀坑174.2.1 裂纹及蚀坑产生的原因174.2.2 解决措施18 4.3

3、抗弯强度.18 4.3.1 影响抗弯强度的因素.18 4.3.2 解决措施.18第五章 石英陶瓷的发展前景展望205.1 前景展望205.2 建议20参考文献21致谢22- 22 -第一章绪论1.1石英陶瓷简介石英陶瓷于20世纪60年代初最早由美国开发成功并于1963年投入批量生产，它不仅具有石英玻璃的许多优良性质，如热膨胀系数小、热稳定性好、电绝缘性好、耐化学侵蚀性好，而且还具有一些石英玻璃制品所缺乏的性质，如石英玻璃制品由于导热性好，在使用时一旦发生析晶即损坏报废，而石英陶瓷制品由于导热性极差，在使用过程中即使表面发生析晶，其内部析晶也很缓慢，制品仍可继续使用。石英陶瓷还有一个最大的优点，

4、就是在1100以下，其强度随着温度的升高而大大增加，从室温至1100，其强度可增加33。由于它具有上述许多优良的性质，因此，自问世以来，迅速在日本、前苏联、法国等工业发达国家得到了推广及应用，其应用领域也涉及到宇宙飞船、火箭、导弹、雷达、原子能、电子、钢铁、炼焦、有色金属、玻璃等工业领域1。石英陶瓷采用以熔融石英粉料作为主要原料，熔融石英粉料是用高品位的石英矿石，采用电弧炉熔融、冷却、破粉碎、筛分、酸洗等一系列工艺制备的2，其SiO2含量一般不小于99.7wt3。石英陶瓷制备所需的辅助原料如表1所示。石英块破粉碎筛分酸洗除铁球磨制浆成型烧成冷加工制品酸洗除铁图1 石英陶瓷基本制造工艺表1石英陶

5、瓷制备所需的辅助原料名称分子式简称品级功用丙烯酰胺C2H2CONH2AM工业纯单体N,N-亚甲基双丙烯酰胺C7H10N2O2MBAM化学纯交联剂过硫酸铵(NH)4S2O8分析纯引发剂去离子水H2O工业纯分散介质乳酸C3H5O3化学纯调节pH1.2 石英陶瓷的国内外发展现状1.2.1 国外发展现状目前，国外生产熔融石英陶瓷制品的厂家主要有美国的Ceradyne公司、Ford公司、法国的Vesuvius公司及日本的东芝陶瓷公司等，其产品主要用途是作为耐火材料及中等温度下的能抗拒温度剧变的结构材料。根据使用条件的不同，研制开发的石英陶瓷制品具有不同的性能特点，既有高致密度、高强度的系列制品，也有低密

6、度、高气孔的隔热保温制品和泡沫石英制品，主要有玻璃水平钢化炉用石英陶瓷辊、浮法玻璃窑用闸板砖、浮法玻璃退火炉用空心辊、铸钢用水口、金属带材热处理炉用空心辊、有色金属冶炼用水口、塞棒、流槽、坩埚、焦炉炉门及上升管内衬、玻璃工业用料碗、匀料筒、搅拌棒、料盆、旋转管等，此外，在导弹、火箭、雷达等方面也有少量应用。其中，玻璃水平钢化炉用瓷辊、浮法玻璃窑用闸板砖、铸钢用水口等制品已形成了大规模工业化生产能力，其产品已在世界范围内销售，并有部分产品销售到我国境内。金属带材热处理炉用空心辊及浮法玻璃退火炉用空心辊，均是取代耐热钢辊、石墨辊及陶瓷涂层辊于近几年开发成功的新产品，对推动有关行业技术进步发挥了积极

7、的作用，如美国的Ceradyne公司生产的熔融石英陶瓷导弹天线罩，法国的Vesuvius公司生产的玻璃水平钢化炉和金属带材热处理用棍棒等均代表了目前国际上熔融石英陶瓷研制生产的先进水平，已在波兰、俄罗斯、美国、德国、意大利、巴西、韩国等多个国家广泛推广。最近，已开始向我国有关行业渗透，是颇具市场潜力的产品4。1.2.2 国内发展现状我国对熔融石英陶瓷的研究始于1972年10月，首先由洛阳耐火材料研究所就这一新材质进行了实验室研究，并对浸入式水口和长水口产品进行开发并获得成功。此后，青岛、上海、锦州、宜兴和山西等地的一些耐火材料厂相继生产上述水口类产品，直到现在，国内生产熔融石英陶瓷的厂家仍然是

8、以水口为主。由于产品质量差，产量正连年萎缩，有些工厂已处在停产或半停产状态，就是维持生产的几个厂也是以质次价低的低档次产品维持生计，生产效益较差。随着国外各种石英陶瓷新产品不断登陆以及国内各行业对产品质量要求的日益提高，国内产品已逐渐不能满足有关行业的需要，且进口产品也并不尽如人意，进口产品质量虽好，但价格昂贵。我国在20世纪90年代加强了熔融石英陶瓷的研制开发，目前国内许多厂家正在开发质优价宜的石英陶瓷产品来替代进口产品，以满足国内各行业的需求。如前几年，锦州某厂又开发了浮法玻璃窑用闸板砖。山东工陶院对熔融石英陶瓷的研究起步较晚，从1988年开始，主要针对玻璃水平钢化炉用陶瓷辊进行了产品试制

9、研究，该项目于1994年通过部级鉴定，并荣获1996年建材行业部级科技进步二等奖及1997年国家科技进步三等奖。该院独创的熔融石英陶瓷成型及烧成工艺有效地解决了国内制品密度低、气孔率高、结构疏松及致密性差等问题，目前已形成了批量生产能力。最近，该院还相继开发了浮法玻璃窑用高密度石英陶瓷闸板砖、金属带材热处理炉用空心辊、玻璃工业用料碗、料盆、冲头、搅拌棒、匀料筒、旋转管等一系列高密度、高档次石英陶瓷制品，以替代进口同类产品及玻璃工业普遍使用的低档硅线石质产品。目前，用户已达五十家，遍布北至黑龙江、南至广东深圳的十七个省市、自治区，取得了良好的社会经济效益3。国外熔融石英陶瓷制品的技术性能根据生产

10、厂家及制品用途而有所不同，其性能优异，具有较高的密度、强度和均匀性，但价格昂贵，其特点是质优价高。而国内熔融石英陶瓷制品与国外同类产品相比，主要存在体积密度低(1.751.90g/cm3)、显气孔率高(1322)、结构疏松、致密性和均匀性差等问题，但价格低廉，其特点是质次价低。表2国内外石英陶瓷材料性能指标比较性能美国法国日本中国w(SiO2)/%99.8699.599.799.5w(方英石)/%10.5260常温抗弯强度/MPa24.220102025热膨胀系数/（10-6/）0.70.60.41m1m成品变形最小最小厚/薄截面成型可以厚截面延长注模时间粉体颗粒尺寸随颗粒尺寸减小浆料黏度增大

11、尺寸减小注浆时间延长2.2 石英陶瓷的烧结工艺研究石英陶瓷烧结方法有常压烧结、热压烧结等，为了使石英陶瓷在更低温度达到致密体，也会采用等静压烧结方法。目前最常使用的烧结方法是常压烧结，常压烧结又称为普通烧结，指烧结过程中烧结坯体在无外加压力的常压下置于烧结炉中，在热能作用下坯体由粉末聚集体变成晶粒结合体，多孔体变成致密体。它是烧结工艺中较传统、简单、广泛使用的一种方法2。2.2.1 烧结过程石英陶瓷的烧结，在l000之前，坯体中主要发生了球磨时形成的硅溶胶的脱水与分解过程，分解的产物是无定形的SiO212。由于原料中碱金属和碱土金属的氧化物、氧化铁等熔剂氧化物的含量极少，不可能形成足以影响坯体

12、烧结的低共熔点的液相，这时玻璃态的石英原料颗粒还未参与烧结，坯体结构无明显变化，坯体尺寸和吸水率也均无大的变化，强度亦维持较低的水平。坯体加热温度为l0001200，尽管这时仍不可能形成促进烧结的液相，SiO2在此温度下的蒸气压也很低，但是，无定形SiO2是一种热力学上的亚稳状态，扩散活化能低，通过扩散传质使坯体致密化和颗粒间形成牢固结合。因此，坯体体积有明显的收缩、吸水率下降和强度上升。坯体的烧结过程的物质迁移是靠扩散传质实现时，烧结有2个特征：首先，烧结速率与原料粒度的五分之三次方成正比；其次，在以扩散传质为主的烧结中，线收缩不会超过6，这正好可以说明石英陶瓷烧成收缩小的原因。扩散传质分为

13、表面扩散和体扩散。烧结初期以表面扩散为主，随温度升高，体扩散也活跃起来。对非晶态的颗粒而言，表面扩散的结果在颗粒间形成颈部，不改变颗粒的非晶态，而体扩散则不同，它可以消除颗粒内部的结构缺陷和导致结构质点的有序化从非晶态转变为晶体。所以，在10001200的石英陶瓷的烧结仍保持非晶态的结构相组成，在1200或略高一点的温度下方石英化过程即将开始。12001400温度下，体扩散导致非晶态的SiO2形成方石英晶粒和方石英晶粒的生长是坯体烧结和结构改变的主要特征。方石英化对坯体的显微结构和性能显示出两重性：一方面促进了坯体烧结，另一方面改变了坯体的相组成。图4 二氧化硅的相变过程表4 石英陶瓷制品烧结

14、制度主要工艺参数参数数值在炉中开始烧结时的温度/25100平均升温速度/（/h）150300冷却与炉一同惯性冷却烧结最高温度/12301280在最高温度下保温时间/h2.02.5在下列温度下保温时间/h13090097010701100约3.05.0约1.0约1.0约1.0约1.0烧结持续时间/h36.042.02.2.2烧成原则（1）保证制品烧成后有足够的强度。（2）控制制品的析晶及变形。（3）少量的方石英析晶不会对材料性能产生坏的影响，但过量的析晶就会影响制品的强度和热震稳定性。烧成温度过高或保温时间过长，会导致析晶过多，即所谓过烧：烧成温度过低或保温时间过短，会导致制品气孔率过高、疏松、

15、强度太低，即所谓欠烧。不同尺寸及形状的制品应通过实验确定合理的烧成温度及保温时间。（4）一般石英陶瓷的最高烧成温度不宜超过1250，为避免析晶，900以上的高温阶段应采用快烧制度9。2.2.3 影响烧结的因素（1）成型方法的影响根据需要选择合适的成型方法，可获得显微结构均匀、各相分布均匀的坯体，通过控制和消除成型过程中的缺陷，可有效降低烧结温度及坯体收缩率，加快致密化进程，减少烧结制品的机加工量。在注浆成型中，硅胶脱水困难及产生的水蒸气对烧成有不良影响，因此，烧成制度应是低温时缓慢升温，高温时快速升温，使坯体在低温时充分脱水。烧成温度与保温时间的长短，应根据石英原料的纯度与泥浆的粒度情况来决定

16、。石英原料很纯，杂质混入量少，烧成温度可更高一点，石英玻璃纯度差，烧成温度可低一点。在注凝成型中，料浆中含有2%5%的有机结合剂，在烧成过程中需出去。因此需对有机物开始热分解的温度、不同温度下的热分解速度以及完全烧结的最高温度等进行研究，从而制定出合理的烧结工艺。对于不同尺寸、形状的零件需采用相应的措施，这是保证坯体质量和提高生产率的重要环节。（2）烧成温度的影响烧成温度的高低对石英陶瓷性能有很大的影响。烧成温度过低（小于870）时，制品中会有石英矿物质存在，若温度过高时（大于1470），制品的矿物质组成为方石英或熔质，由于温度高、能耗大，导致制品成本增高，不利于石英陶瓷生产和销售，而且方石英

17、的形成也不是石英陶瓷生产所需要的，因此，石英陶瓷的烧结温度应控制在方石英形成的温度区（8701470），考虑到制品的烧后强度、密度及使用温度，实际生产中，一般应控制在12001350之间。在此温度范围内，适当提高烧结温度，有利于扩散和烧结的进行，使烧结速度加快，促进致密化。在烧成温度大于1300时，可以观察到陶瓷的热膨胀系数值增大，而强度却有所降低，这是由于在试样中出现了结晶相所造成的。并且高温时试样保温时间越长，其中产生方石英的概率就会越大。试样处于高温作用下的时间越长，其热膨胀系数值就越显著增大，在陶瓷其他性能相同的情况下，强度却有所降低。根据援引的资料，可以得出如下结论：经过较高的加热与

18、冷却速度热处理的陶瓷，结晶趋向最小。（3）烧结气氛的影响烧结气氛对石英陶瓷烧结影响较大，合适的烧结气氛有助于致密化。有资料报道，氧化气氛下烧成的石英制品更容易形成方石英化。因此，要想降低石英陶瓷中的方石英组成，宜采取中性气氛或还原气氛烧成。（4）外加剂的影响作为石英陶瓷致密烧结的添加物应具备两个条件：一是石英陶瓷的最高烧成温度约l200，提高烧成温度时有明显的方石英化，故要求形成玻璃的添加物应有尽可能低的熔融温度；二是为了保持石英陶瓷的性能，还要求添加物形成的玻璃相有非常低的能和无定形SiO2相匹配的热膨胀系数。目前公开报道的几种添加剂主要有Si3N4、H3PO4和H3BO3等10。有关资料报

19、道，Si3N4有助于石英陶瓷的烧结，对烧结温度无影响。在l150l200的温度范围内，添加0.5%1.5%的Si3N4不会引起石英玻璃的析晶。烧成在11501200温度范围内，石英陶瓷的强度、体积密度随Si3N4的添加量增大和烧结温度提高而增大，而石英陶瓷的显气孔率随Si3N4添加量的增大和烧结温度的升高而减小。石英玻璃对加入物极为敏感，几乎所有的杂质都是促进玻璃相转化为方石英的矿化剂。而掺入的Si3N4未导致石英玻璃的析晶，其原因可能是Si3N4被氧化所产生的粘性流动态非晶质SiO2促进了石英陶瓷的烧结，在整个烧结过程中，由于无外界原因而产生断键重建式相变，故不发生方石英化10。（5）烧结方

20、法的影响正确地选择烧结方法，是使石英陶瓷具有理想的结构及预定性能的关键。合适的烧结方法可有效的降低瓷结温度。SiO2陶瓷常压烧结在1200左右，热压烧结在比1200低的温度就能获得接近于理论密度的制品，而高温等静压烧结在更低的温度就已达到致密化。石英陶瓷的烧结为扩散传质的固相烧结，而方石英化是烧结中的一个重大障碍。由于方石英晶体的结晶、坯体强度下降、热膨胀急剧升高，使材料的优良抗热震性丧失殆尽，所以必须将坯体开始方石英化时的温度作为烧成的上限温度。同时，为防止方石英化，宜采用快速升温、急剧冷却和尽量缩短高温的保温时间的烧成工艺。（6）粉末颗粒细度的影响在烧结中细颗粒由于增加了烧结推动力、缩短原

21、子扩散距离以及提高颗粒在液相中的溶解度而导致烧结过程的加速。同时，为防止二次再结晶的出现，要求细小而均匀的原料粉末颗粒，以避免细颗粒基相中出现大晶粒成核而导致晶粒异常长大。石英陶瓷的粒度并不是越细越好，必须符合一定的颗粒级配11。第三章 石英陶瓷的性能及应用3.1 石英陶瓷的特性（1）热性能与一般陶瓷和耐火材料相比，石英陶瓷的优良物理性能是其特性之一，它不仅线胀系数和高温蠕变小，而且热稳定性和耐“老化”性能好。通常石英陶瓷的线胀系数为0.5410-6/。较小线胀系数的石英陶瓷必然具有稳定的高温蠕变性。石英陶瓷的高温蠕变有一个剧增阶段和一个停止阶段，当温度一旦达到变形起始温度时，则变形量急速增加

22、，基本呈线性正比关系。其中对于密度较小的石英陶瓷，在起始温度附近有一转折点，折点前的变形速度较小，折点后则较大。不过石英陶瓷高温蠕变变形速度与温度的线性关系仅在一定范围内成立，一旦温度超过极限值时，此规律即被破坏。石英陶瓷的导热系数低，接触热阻大。其导热系数随温度的升高而相应增大，在温度低于1200范围内，导热系数增大速率较慢，而当温度高于1200时，则成倍地增长。正是由于石英陶瓷的低线胀系数，因而也具有相当的热稳定性，石英陶瓷在急冷急热的工作环境中时，不爆裂，不破坏，与其厚度及表面热流密度关系不大。石英陶瓷的热稳定性与其密度关系为：密度越大，热稳定性越差，密度越小，热稳定性越好，但其热稳定性

23、一直优于一般陶瓷12。（2）化学稳定性石英陶瓷具有良好的化学稳定性，除氢氟酸及300以上的热浓磷酸对其有侵蚀外，盐酸、硫酸、硝酸等对石英陶瓷几乎没有作用。锂、钠、钾、铀、铯、锌、镉、铟、碲、铅、砷、铋等金属熔体对石英陶瓷也几乎没有作用。耐玻璃液侵蚀性也很好。（3）电性能石英陶瓷的电性质很好。电阻很大，其介电常数与介电损耗角正切随温度的变化都远远低于氧化铝等其它高温陶瓷，可用于绝缘材料，也是导弹和雷达天线罩的良好材料。（4）抗折、抗压性能与其他陶瓷有所不同的是石英陶瓷的抗折强度、抗压强度是随着温度的升高而大大增加，这是因为熔融石英陶瓷随着温度升高其塑性增加，脆性减小的。例如，从室温至l100时，

24、刚玉陶瓷的抗折强度降低67，高温陶瓷的抗折强度降低25，而石英陶瓷反而增加33，这一性能对熔融石英陶瓷在高温下使用很有好处。（5）核性能石英陶瓷的核性质也很好。由于一般晶体在重辐射下都将转变为非晶质相，而石英玻璃是非晶质结构，热膨胀系数又很小，因此在辐射条件下与其他材料相比其结构是稳定的。此外，石英陶瓷的强度等基本不受核辐射的影响，并具有低的热种族俘获截面，所以广泛用于原子工业及辐射实验室。由于辐射能够稳定非晶质结构，因此其工作温度可以超过一般使用时的界限，即发生大量结晶化的温度界限5。3.2 石英陶瓷的应用（1）冶金行业石英陶瓷制品以其极低的膨胀系数和较高的热稳定性，在黑色和有色冶金方面取得

25、了广泛的应用。在铸钢作业中，为防止连续铸钢板坯纵裂必须采用浸入式水口保护法浇注，而浸入式水口所处的条件非常恶劣，使用中浸入式水口的头部要插入钢液和保护渣中，使水口内外同时处于高温受热状态，而水口另一部分则暴露在空气中。因此对浸入式水口的材质要求严格，既要热稳定性好、导热率低，又要能经受钢水的冲刷和耐保护渣的侵蚀，因此石英陶瓷成为浸入式水口的首选材料之一13。此外，在冶金行业，金属带材连续退火炉的炉底辊质量也是影响作业率和产品表面质量的主要因素之一。传统的石墨碳套和陶瓷涂层辊容易出现辊面氧化、炉辊结瘤、疏松和剥落等现象，影响正常生产。石英陶瓷炉底辊以其强度高、耐高温、热膨胀小、化学稳定性好、不变

26、形、表面光洁度高和耐磨性好等优点，成为传统石墨碳套和陶瓷涂层辊的理想替代产品，可有效解决氧化和结瘤等问题，使用寿命可延长812倍，并且可提高热处理温度，从而提高金属带材的档次和质量。（2）电工行业石英陶瓷却同时具有介电强度、耐火耐热的特点，从而可以应用到电热绝缘器和光波反射器。石英陶瓷能制造出适合各种条件的绝缘结构，具有高的介电强度，在一般温度和高温下的击穿电压高，介电数值低，介电损失角正切值低和热绝缘性能好等特点，这就保证了该材料在电工行业中的广泛应用。（3）浮法玻璃工业石英陶瓷具有导热系数小、热震稳定性好、热膨胀系数小、不易沾附锡灰及杂物等优点，可以明显提高玻璃的表面质量，因此很多大尺寸的

27、石英陶瓷制品已经广泛地应用在浮法玻璃的生产中。如闸板砖、盖板砖、胸墙砖、支撑砖，压缝砖。图5 玻璃水平钢化炉用石英陶瓷辊（4） 玻璃深加工方面目前，钢化玻璃在多方面都得到了广泛的应用。国内外现在已经广泛采用辊道式水平钢化炉玻璃炉取代了以前的垂直吊挂式玻璃钢化系统，生产出了高质量的钢化玻璃。而水平钢化炉能够获得成功的关键因素之一就是因为使用了熔融石英陶瓷辊棒。在水平玻璃钢化炉中，辊棒在高温条件下，既要支托玻璃又要传送玻璃，要求辊棒不但要有足够的强度和光滑的表面，并且由于钢化玻璃的生产工艺要求辊棒能够有优良的热稳定性。而石英陶瓷的特点完全能够满足使用要求，因此从一开始就被熔融石英陶瓷辊棒就被应用到

28、了钢化炉中，并取得了很好的效果。（5）航空方面石英陶瓷具有膨胀系数小、抗热冲击性能好、导热系数小、热防护能力强、透波性能好及介电常数低等优良性能，在国防军工领域是导弹用天线罩的主要候选材料之一。经纤维增强后的石英陶瓷天线罩在电性能方面不会受到影响，介电性能稳定，且强度比原来提高14左右。石英陶瓷导弹天线罩可以满足雷达波透过、损失小和畸变小的要求，又能满足导弹气动外形、耐气动加热和结构强度等方面的要求。此外，由于石英陶瓷具有很高的高温粘度，在2500以上高速穿过大气层时的损坏速度只有0.0025mm/s，因此石英陶瓷还可用作航天飞行器的隔热材料及火箭发动机的喷嘴、头部及前室等部件6。（6）精密平

29、台超精密加工、半导体光刻、精密测量、微型机械和纳米技术等高新技术的发展都离不开十分精确的定位和运动，因此必须有高性能的超精密定位工作台作为技术支持。直线电机式工作台的传统结构材料是钢材，其成本低，应用广泛。也有为了减轻工作台运动部分质量，提高系统动态性能而采用铝合金。而工程结构陶瓷以其高强度、高硬度、耐高温、耐辐射、抗腐蚀等优点已逐渐成为工程技术特别是尖端技术中的关键材料，将工程结构陶瓷应用在精密平台上是一种发展趋势。精密直线电机驱动平台中，运动平台受直线电机部件发热影响很大，所以精密平台应选择导热系数和热膨胀系数小。对温度变化不敏感的材料。由于石英陶瓷导热系数低、热量不易传递、升温缓慢、热膨

30、胀系数小，使得精密平台热变形较小，同时石英由于热膨胀产生的内应力引起的变形远小于铝、钢与氧化铝，因此，石英陶瓷成为制作精密平台比较理想的陶瓷材料14。（7）坩埚在太阳能行业，石英陶瓷坩埚是太阳能电池用多晶硅铸锭炉的关键部件，它作为装载多晶硅原料的容器。要在1500以上的高温下连续工作50h以上，使多晶硅原料熔化、析晶，然后用来制造太阳能电池的多晶硅硅锭。由于其使用条件十分苛刻，对坩埚的纯度、强度，外观及内在质量、高温性能、尺寸精度等要求非常严格。石英陶瓷坩埚是目前不可替代的关键性消耗材料，由于是一次性使用，所以需求量巨大。近年来，随着经济的发展，能源紧缺的问题日益显现，在全球范围内掀起了一股开

31、发利用太阳能的热潮，太阳能产业每年以3040的速度增长，从而带动了多晶硅铸锭炉的迅猛发展，对石英陶瓷坩埚的需求也与日俱增15。图6 太阳能多晶硅铸锭用石英陶瓷坩埚第四章 石英陶瓷现存问题及解决措施4.1 色斑4.1.1 色斑产生的原因图7 色斑内外表面的形态色斑一般是内表面受到外来物质的污染而不是陶瓷本身的缺陷形成的。石英陶瓷生产过程中要求内装硅胶干燥剂，是生产过程中石英陶瓷内表面唯一能接触到的物质。接触变色硅胶水溶液的陶瓷，干燥后表面呈淡蓝色；接触无色硅胶水溶液的陶瓷，干燥后表面没有颜色变化。石英陶瓷生产周期长，使用的变色干燥剂易粉化，周转过程中由于变色硅胶干燥剂的摩擦、碰撞，容易产生粉末或

32、小颗粒并透过纱布包装落到石英陶瓷内表面，在潮湿环境中吸收水分，使变色硅胶干燥剂中含有的氯化亚钴溶解到水分中，渗透污染到陶瓷内部。同时陶瓷材料吸附力较强，使氯化亚钴能稳定地存在于陶瓷材料中，并随着环境湿度的变化使石英陶瓷表现出粉红色到蓝色的色斑变化16。4.1.2 色斑解决措施（1）硅胶干燥剂改为无色硅胶干燥剂(带致密且透气的无纺布包装)；（2）硅胶干燥剂应在6070，30min条件下烘干后使用，最多烘干2次；（3）使用包装袋包装石英陶瓷时必须用绳子扎紧，不允许开口存放。（4）在石英陶瓷生产过程定点烘干、更换干燥剂。4.2 裂纹及蚀坑4.2.1裂纹及蚀坑产生的原因（1）粉料中各组成的百分比、弹性

33、性能、各相界面的相对断裂能、尺寸大小和强度等不匹配。（2）坯料配方不当。坯料中挥发分含量较高，灼减量大；可塑性原料用量过少，坯料可塑性差，生坯强度低。（3）坯料颗粒过粗或过细。粉料中有泥粒子、干硬块、湿块或过于致密的料块，水分不均匀，有过干、过湿现象或水分波动过大。（4）烧成时，预热阶段温度过高，升温过快，受热不均匀；制品形状复杂，薄厚区烧结收缩不一致；粉料中的各组成在烧结过程中发生的相变及反应造成了一定的体积变化17。4.2.2 解决措施（1）配料时仔细筛选，使粉料颗粒尽量一致；水分分配均匀。（2）在坯料中相应增加可塑性原料，提高生坯的强度；减少挥发分含量。（3）在烧成时升温不要过快，应缓慢

34、升温，使水分充分蒸发；制品制作时保持壁薄厚程度一致，形状简单，不用太复杂。4.3 抗弯强度4.3.1 影响抗弯强度的因素石英陶瓷的抗弯强度与料浆的颗粒分布、固相含量和烧成温度有直接的关系。（1）颗粒度不同颗粒度料浆成型的坯体的强度不同。颗粒太粗、太细、粒径分布过于集中均不利于强度的提高。石英陶瓷的抗弯强度随密度的增大而增大，这与其他陶瓷的普遍规律一样，强度一直增大到密度达最大值，即气孔率接近零时止20。只有合理的符合颗粒紧密堆积条件的粒度分布才可能获得最佳的致密度和强度。（2）固相含量固相含量的高低对石英陶瓷的密度、抗弯强度有很大的影响。固相含量越高，生坯密度越高，制品烧结后的致密度越高，抗弯

35、强度也相应提高。（3）烧成温度烧成温度过低，制品欠烧，颗粒之间结合松散，气孔率高，密度低，强度低。烧成温度过高，制品过烧，制品发脆易碎，气孔率低，密度高，强度高。随烧成温度的提高，制品的烧结程度增加，颗粒之间的融合逐渐完全，强度逐渐提高，但超过一定温度后，制品产生过量析晶，结构遭到破坏，抗弯强度急剧下降21。4.3.2 解决措施目前增强石英陶瓷的抗弯强度主要有几种方法：制造表面压应力层、弥散增强、纤维增强、浸渍、外加烧结助剂等22。这几种方法比较，前四种方法工艺复杂、工艺控制精度要求高、成品率低、成本高，而第五种方法由于在原有工艺上即可实现而受到了极大关注。近年来，为提高石英陶瓷的强度，采用细颗粒骨料制备石英陶瓷，取得了不错的效果，抗弯强度可达到50MPa23。通过添加玻璃态复合添加剂，可以将石英陶瓷的抗弯强度提高到100MPa，但其耐急冷急热的温度只有600。选择引入合适的烧结助剂，在一定加入量的范围内，可有效的促进石英陶瓷的烧结，降低材料的气孔率，提高材料的抗弯强度，而基本上不影响材料的热震稳定性24,25。第五章 石英陶瓷的发展前景展望5.1 前景展望石英陶瓷作为一种集各种优良性质与一身的陶瓷材料，它的力学强度不高一直是众多学者和专家担忧的问题，限制了它的使用时间和范围，因此目前有很多的研究单位和企业致力于