莫来石基复合材料的发展现状及其应用

”
“优
点
莫来石陶瓷具有优异的高温力学性能、抗 蠕变性能、抗热震性能以及化学稳定性等，其 最显著的优势是强度和韧性随着温度的升高而 增加，在1300℃时的强度和韧性是室温时的 1.7倍，1500℃时强度保留率可以达到 90%以 上。因此，莫来石陶瓷被认为是一种非常理想 的高温结构材料，在热防护领域中有着广阔的 应用前景。
”
“
其他应用
含有莫来石的陶瓷合金已用于刹车片内衬,这种材料 以Cu-Sn或Cu-Fe合金作为基体,其他种类陶瓷作为分散相。 莫来石和(或)不超过30wt%的SiO2作为磨擦剂,石墨和(或) 铅作为润滑剂。这种复合材料可用作航空和高速铁路系统 的刹车片,因为它比由石棉和高聚物制成的传统刹车材料 具有较好的耐热性和耐久性且污染极少。这种材料还可用 于汽车离合器衬片。通过挤压和轧波纹的方法可以制备出 多孔莫来石基陶瓷材料,用前一种方法制得的多孔陶瓷可 用作反应器载体,其平均气孔尺寸为10μm,可用于酿酒业 和废水处理厂。
”
“
此外，莫来石陶瓷还具有优异的电学 和光学性能，诸如宽频的红外和雷达波透过 性等，可用于电子封装、红外透波、高温光 学窗口等领域。 上述特性使得莫来石陶瓷受到了广泛 的关注，并已在某些方面获得成功应用。
”
“
缺
点
但是莫来石陶瓷常温力学性能不佳，尤其是断裂韧 性只有 2MPa·m1/2左右，成为制约该材料实用化的一大 障碍，而复合材料的可设计性为这一问题提供了解决方 向。莫来石基复合材料近年来的研究目标是减少固有脆 性，改善机械性能。为此采用了多种方法对莫来石进行 补强和增韧，并已取得了良好的效果，其中主要的方法 是添加第二相，如颗粒、晶须、纤维等进行改性。根据 第二相在基体中的分布形态，可以将增强体分为非连续 相和连续相。
”
“ 制备方法
颗粒增强莫来石的制备方法主要是固相烧结，将 莫来石或 Al2O3+SiO2粉体与增强相颗粒混合后成型烧 结。影响烧结的主要因素包括粉料的粒径、混合均匀 程度、烧结温度等为了提高致密度，可以采用多种方 法进行改进： （1）改进烧结方式，先后出现了常压、热压、微波 辅助烧结以及放电等离子烧结、高温自蔓延反应烧结 等手段。 （2）减小粒径，提高混合均匀性，为此可以用化学 法代替机械混合。
”
“
电熔莫来石可用以制备莫来石碎粒,用作 铸铁砂、填料砂、流化床焙烧用砂,还可用作 滤料。 用莫来石陶瓷制备的远红外发射陶瓷,可 用于净化和激化水,以利于鱼的繁殖。 莫来石纤维可用作汽车发动机的耐热填充 材料以及耐热的密封材料。
”
结束语：
新型陶瓷材料的开发热潮,在国内外都已经持续了 十余年，莫来石具有优良的性能，在高温工程陶瓷 领域有着广泛的应用前景。我国的工业产品主要还 处于抄袭国外的阶段,开发新材料新产品的积极性不 高,而且可借助的工业技术基础和社会资源力量相对 显得薄弱。因此,开发出独特的新型陶瓷材料和新产 品,还需陶瓷研究者不断的努力。
”Leabharlann Baidu
“与莫来石相关的科学与技术的发展可分为三个阶段:
第一阶段:从1920年到1950年,主要的研究集中于探 讨莫来石的结构特征; 第二阶段:始于1950年,主要集中于对SiO2-Al2O3系相 平衡的研究,但相平衡的研究至今仍有疑义; 第三阶段:从70年代中期开始至今,则很明显地将重 点转移到了对莫来石陶瓷在结构、光学、电子等应 用方面开发的研究。
参考文献：
1 SCHNEIDER H, KOMARNENI S. MULLITE. WEINHEIM: WILEY- VCHVERLAG GMBH & CO. KGAA, 2005: 460, 431~434 2 CHNEIDER H, SCHREUER J, HILDMANN B. STRUCTURE ANDPROPERTIES OF MULLITE: A REVIEW. JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMICSOCIETY, 2008, 28: 329~344 3 BODHAK S, BOSE S, BANDYOPADHYAY A. DENSIFICATIONSTUDY AND MECHANICAL PROPERTIES OF MICROWAVE- SINTERED MULLITEAND MULLITE- ZIRCONIA COMPOSITES. JOURNAL OF AMERICAN CERAMICSOCIETY, 2011, 94(1): 32~41 4 梁 波. 添加碳化硅晶须的锆莫来石材料力学性能. 河北理工学院学报,2002,(3):53~57 5 徐晓虹,郭子瑜,孙钱平等.原位生成莫来石晶须机理的研究.武汉理工大学学报,2005, 27(12):18~21 6 DEY A, CHATTERJEE M, NASKAR M K, ET AL. NEAR- NET-SHAPE FIBER- REINFORCED CERAMIC MATRIX COMPOSITES BY THE SOLINFILTRATION TECHNIQUE. MATERIALS LETTERS, 2003, 57: 2919~2926 7 BOCCACCINI A R, KAYA C, CHAWLA K K. USE OFELECTROPHORETIC DEPOSITION IN THE PROCESSING OF FIBER REINFORCEDCERAMICAND GLASSMATRIX COMPOSITES:AREVIEW. COMPOSITES: PART A,2001,32:997~1006
”
“
低性能(如消耗类电子)封装最重要的是价 格低廉。目前,莫来石多层陶瓷已逐渐得到应用, 预计会在未来得到广泛应用。最近,日本日立公 司采用当前工艺已推出了莫来石多层陶瓷封装。 日本的NGK火花塞公司也开发出了多层莫来石陶 瓷,用于电子线路板,可减少信号的传播损失。
”
“ 莫来石光学材料
莫来石材料优良的抗热震性能,介电性能和高 温强度以及较好的透光性,使之成为独特的高温光 学窗口材料。对莫来石材料在中红外光谱范围内 光吸收行为的研究表明,莫来石的光吸收行为比其 他可能的材料,如尖晶石和兰宝石的光吸收性能好。 作为透过红外线的材料,莫来石的主要应用在于作 为化学条件较为苛刻以及高温受到机械应力的环 境下的窗口材料。
”
“莫来石耐火材料
作为耐火材料,莫来石具有许多优异的性能: (1)高熔点; (2)优良的抗蠕变性能,在载荷作用下只有很小的形变; (3)低热膨胀,使之具有优良的抗热震性; (4)优良的抗腐蚀性能; (5)高剪切模量。
”
利用这些优异的性能,莫来石可作为许多工业领域的耐火材料
“
在日本,各大公司对莫来石耐火材料的开发研究非常 活跃,并得到了广泛应用。例如,一种富Al2O3的莫来石耐火 砖已用于钢铁工业,用作控制熔融钢液流动的旋转阀出口 的上、下内衬,这种富铝莫来石耐火砖含有10-40wt%的富 铝莫来石,其抗热震性能有了很大的提高。另外,在一种旋 转窑的燃烧喷嘴上也采用了莫来石耐火材料。此外,一种 利用熔渣制成的耐火材料垫板也应用于窑炉内衬,这种 ZrO2/Al2O3/莫来石熔渣含有3-60wt%的ZrO2,不超过20wt%的 SiO2,熔渣颗粒尺寸大于0.5mm,这种材料具有较好的抗热震 性和抗腐蚀性。
”
“ 在中国,莫来石的研究、开发已取得了一定的成果,
莫来石陶瓷缸盖底板在沙漠车上的试用已初步显示了 该材料较好的应用前景。在德国,采用水稳定的离子溅 射技术已制造出了各种用途的莫来石坩埚和垫板(VAW 公司),这些材料均具有较好的抗热震性。此外,德国的 Dornire公司新近研制出了铝硅酸盐长纤维(Nextel) 增韧莫来石复合材料。这种复合材料可在高达1100℃ 的氧化环境下长期使用,并在螺旋浆飞机的排气装置上 测试使用成功。
”
“
莫来石陶瓷还具有优良的抗腐蚀性和气密 性。因此被广泛用于坩埚、防护管以及热电偶 管等耐热材料。尽管莫来石陶瓷对熔融金属的 抗腐蚀性比氧化锆陶瓷差些,但对气体的抗腐 蚀性则好得多,而且莫来石陶瓷的气密性也很 好,因此莫来石适于制造保护管。
”
“ 莫来石电子封装材料
莫来石具有优良的热膨胀和介电性能, 这些性能在开发具有高密度封装的大尺寸 基体时尤为重要。莫来石的热膨胀稍高于 硅,但是通过制备莫来石与玻璃以及(或) 与低膨胀陶瓷(堇青石或锂辉石)复合材料, 则可提高匹配性能。
”
“
莫来石耐火制品 莫来石耐火中空棚板
”
莫来石耐火砖
“ 莫来石高温和工程
莫来石陶瓷材料由于具有优良的抗蠕变和抗热震性,并 且高温下室温强度衰减较小,再加上它在氧化环境下独特的 热稳定性,因而作为独特的高温材料日益引起了人们的重视。 美国能源部在1992年的先进气轮机技术规划的报告中就明确 提出必须研制低热膨胀、低热损失的先进陶瓷发动机,并将 莫来石列入了主要候选材料。目前,莫来石陶瓷已在热机和 汽轮机上得到了应用,尽管考虑到其力学性能和可靠性,它在 热机和汽轮机方面的应用尚需改进,但与其他材料相比,莫来 石陶瓷仍不失为一种极具潜力的高温工程材料。近年来,莫 来石陶瓷还已用于高温力学测试中置于高温环境下的部件。
”
“ （3）采用添加烧结助剂，常用的烧结助剂有Y O
2 3
、V2O5、Sc2O3等。 （4）采用瞬态粘性流动烧结(TVS)或添加莫来石 晶种形成活化中心，降低烧结活化能。 连续纤维增强莫来石一般采用浸渍的方法来 进行制备，根据使用形态— 无纬布、编织布和 三维编织体— 主要分为泥浆浸渍、先驱体浸渍 裂解（PIP）和化学气相渗透（CVI）等，同时可 以采用其他措施进行辅助，如加压、振荡、电泳 沉积等
”
“
日本原子能研究院和日本钢铁公司采用近尺寸成型 的方法开发出了多孔莫来石陶瓷,它的抗腐蚀性能和耐 热性很好,且表面积大,用于离子交换树脂和核电厂的放 射性有机物的处理。日本Matsushita电子公司用后一种 方法开发出了用于陶瓷内燃机粒子收集器的多孔陶瓷, 收集效率超过90%(所以收集粒子平均粒径0.18μm),平 均工作温度1200℃,此外,多孔莫来石陶瓷材料还可用作 过滤器、声吸收材料和触媒,日本石油有限公司即开发 出了一种具有较高燃烧活性的莫来石触媒。此外,由于 这种触煤还具有较好的耐热性,适用于热水器、飞机发 动机和汽车汽轮机的高温燃烧器。
8 陈照峰，陶 杰，刘子利等. 用化学气相渗透法制备莫来石陶瓷基复合材料.南京航空航天大学学报,2005,37(5):562
”
“
近来,莫来石陶瓷又被研究作为Cr3+的基体材 料,Cr是一种发光的过渡金属,可用于固态激光器中 的激励器。这种激励器应由晶体基质稳定并保护,因 为离子的电子结构对晶体场强非常敏感。由于晶体 基质过于昂贵,因此人们将注意力转移到无定形的基 质,但Cr3+的量子化效率低于1%,人们之所以对莫来 石玻璃陶瓷倍感兴趣,是由于它的稳定性及其玻璃结 构和低介电常数,在莫来石中,Cr3+量子化效率可提 高到30%-40%。
”
“
用于高性能封装的陶瓷,对于介电常数的要求 很高,封装尺寸越大,密度越高,对它的要求就越高, 因为低的介电常数可以保证信号的快速传递。纯莫 来石的信号传递时间比Al2O3陶瓷低约14%,采用莫 来石与玻璃及堇青石复合,传递时间还会进一步降 低,日本Yamamar玻璃公司便开发出了承载半导体器 件、感应线圈电容及电阻的莫来石玻璃陶瓷,其主 要成份为45-50wt%的Al2O3、20-35wt%的SiO2和520wt%MgO。
“
莫来石基复合材料 发展现状及其应用
200801130638 201001130427 王淦 201001130526 刘神神 201001130519 宋志林 201001130524
”
小组成员：祝超 王杰
王宪金 201001130430
“
1.莫来石基复合材料的发展历程 2.莫来石陶瓷的优缺点 3.莫来石基复合材料的制备方法 4.莫来石复合材料应用： 4.1莫来石耐火材料 4.2莫来石高温和工程 4.3莫来石电子封装材料 4.4莫来石光学材料 4.5其他应用 5.结束语 6.参考文献