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鄒小姐：13326633089 -
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堇青石(cordierite)是一種常見的寶石，但除了觀賞性價值外，用堇青石制備的陶瓷在工業上也有眾多應用。由于具有較低的熱膨脹系數、良好的化學穩定性、較高的電阻率、較低的介電常數以及近零的頻率溫度系數等優良特性，堇青石陶瓷被廣泛應用于冶金、汽車、催化、化工以及電子等領域，隨著半導體行業的發展，堇青石陶瓷在高端制造領域的應用（高端半導體設備用結構件等）也開始嶄露頭角。
一、堇青石的結構組成
堇青石陶瓷(2MgO·2Al2O3·5SiO2)理論密度約為2.6 g·cm?3，熔點約為1460℃，是一種低熱膨脹陶瓷，其晶體存在三種結構形式，分別為α-堇青石、β-堇青石和μ-堇青石。
α-堇青石又稱印度石，為高溫穩定相，其晶體結構為六方晶系；β-堇青石為低溫穩定相，其晶體結構為斜方晶系；μ-堇青石因其結構類似于β-石英，又稱β-石英固溶體，屬于低溫亞穩態。μ-堇青石的生成溫度約為915℃，當溫度達到1200℃時，μ-堇青石開始轉化為β-堇青石，再隨著溫度升高至1300℃～1400℃時，β-堇青石向α-堇青石開始轉化。
堇青石的晶體結構
二、堇青石陶瓷的制備工藝
堇青石是一種天然礦物，然而其在大自然中的儲量很小。目前，堇青石主要是通過人工合成的方式獲得，傳統制備堇青石陶瓷方法為固相燒結法，但燒結溫度區間較窄（溫度區間約30 ℃）。隨著研究的深入，堇青石陶瓷制備的方法由傳統的固相燒結法逐步發展出了溶膠—凝膠法、熔融玻璃法、低溫燃燒法等制備方法。
幾種制備方法的工藝特點如下：
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制備方法 |
工藝 |
優點 |
不足 |
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固相燒結法 |
按堇青石化學式配比稱取原料，經過混合、造粒、干壓成型，將所得素坯進行高溫燒結后獲得堇青石陶瓷 |
生產成本低、操作簡易 |
難以獲得高純度的堇青石陶瓷 |
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溶膠—凝膠法 |
將原料分散在溶劑中，經過水解—聚合反應后形成溶膠、凝膠，再經過干燥和熱處理后制備得到納米粉體，最后，將所得粉體進行造粒、成型、燒結后獲得堇青石陶瓷 |
粉體粒徑細小且分布均勻、反應活性高、燒結溫度低 |
工藝復雜、制備周期長、生產效率低且原料價格昂貴，不適于大規模工業化生產 |
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熔融玻璃法 |
按堇青石化學式配比稱取原料；然后在高溫下進行熔融，將熔體進行水淬、球磨得到玻璃粉末；最后，經造粒、成型、燒結制備堇青石陶瓷 |
原料均化效果好、陶瓷純度高 |
能耗巨大導致 生產成本過高 |
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低溫燃燒合成法 |
以硝酸鹽為反應氧化劑，加入一定的還原劑，反應原料在低于堇青石陶瓷燒結溫度時被點燃，發生劇烈的氧化還原反應，生成堇青石粉體，再經成型、燒結制得堇青石陶瓷。 |
該法制備堇青石陶瓷粉體具有高效、節能、快速的優點 |
反應過程劇烈，同時產生大量有害氣體，對環境造成危害 |
三、堇青石陶瓷的性能調控
隨著產業的快速發展，對堇青石陶瓷的熱膨脹、微波介電及力學性能提出了更高的要求，這就需要對其結構及相關性能進行調控優化，以滿足應用指標要求。目前對堇青石最常用的性能調控手段是摻雜，摻雜的元素種類主要包括堿金屬元素、過渡金屬元素、稀土元素以及高價金屬元素等。
通過摻雜既可以促進堇青石陶瓷的燒結，降低堇青石晶型轉變溫度，減少其他雜相生成；又可以調控堇青石晶體內部結構，進而對堇青石陶瓷熱膨脹系數、微波介電性能產生影響；還可以產生燒結液相，降低堇青石陶瓷燒結溫度，進而提高堇青石陶瓷基體強度。
1.熱膨脹性能
對于堇青石陶瓷而言，低熱膨脹系數是其優勢所在，一般堇青石陶瓷的熱膨脹系數在1.5×106℃-1～2.0×106℃-1(25 ℃～800 ℃)。無論作為催化劑載體、高溫窯具，還是用作電子封裝材料，都需要具有較好的抗熱震性能和低的熱膨脹系數。
通過摻雜，可以控制堇青石陶瓷的成分，減少高熱膨脹系數的雜相生成，還可以引起晶格畸變，使得堇青石在受熱時各向異性的熱膨脹可調可控。
堇青石蜂窩陶瓷載體
2.微波介電性能
在微波通信領域，800 MHz～2000 MHz波段的微波介質材料研究已較為成熟，但隨著頻率升高至12GHz～40GHz，常見的微波介質陶瓷的介電常數較大(εr≥20)、品質因數較低，無法滿足高頻微波介質器件低損耗、高穩定性的需要。堇青石陶瓷除了具有較低的熱膨脹系數，同時還具有較低的介電常數(εr=6)以及近零的頻率溫度系數，因而其在微波毫米波通訊系統中的諧振器、濾波器、波導以及基板元件中具有廣泛的應用前景。
對微波介電性能調控的方式一般有兩種途徑：一是添加燒結助劑可以提高材料密度，進而提升品質因數，但這通常伴隨著介電常數的上升；二是通過摻雜較大半徑元素，使堇青石晶格產生畸變，提高堇青石結構內六元環的對稱性，能有效提高品質因數，且對其他性能影響不大。
介質陶瓷諧振器
3.力學性能
在高溫窯具、尾氣凈化器以及熔體過濾器等對抗熱震性能要求較高的領域，在除了滿足較低的熱膨脹系數的同時，還要具有較高的機械強度。然而，堇青石陶瓷的力學性能（抗彎強度約為20 MPa～30 MPa）與=SiC、Si3N4等陶瓷相比差距較大，這在一定程度上制約其在這些領域的應用。
目前，改善堇青石陶瓷力學性能有兩種途徑：一是通過摻雜元素在較低溫度下生成液相，進而提高基體的強度；二是加入力學性能較好的第二相，但該法改善堇青石力學性能的同時，可能會帶來了熱膨脹系數升高的問題。
另外，當摻入少量的網絡形成離子(如B3+)，生成的液相會進入到陶瓷基體之中，促使基體顆粒重排，在降低燒結溫度的同時，也會提高燒結致密度，進而提高其力學強度。
堇青石承燒板窯具
總結
雖然堇青石陶瓷已在冶金、汽車、催化、化工以及電子等領域得到了廣泛的應用，但我國在對堇青石陶瓷研究方面起步較晚，在諸多方面與國際水平存在較大差距，這主要表現在粉體制備粒度的控制以及熱膨脹系數的調控等方面，對于堇青石陶瓷的研究仍任重道遠，特別是對于高端制造領域用堇青石陶瓷的研發亟待突破，國產替代迫在眉睫。
參考來源：
1. 堇青石陶瓷結構及性能研究進展 ，周士杰、王峰、賀智勇、王曉波（鋼鐵研究總院、中國鋼研科技集團有限公司）；
2. 堇青石基微波介質陶瓷的制備及性能研究，彭昶（電子科技大學）；
3. 高性能堇青石陶瓷的制備及影響因素分析，韓楨（吉林大學）；
4. 堇青石陶瓷的研究現狀，汪瀟、楊留栓、劉祎冉、任剛偉（耐火材料）。
粉體圈小吉
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