熔融石英粉(用在导弹上的熔融石英陶瓷)

Posted 2023-06-02

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熔融石英粉(用在导弹上的熔融石英陶瓷)

熔融石英陶瓷是一种以熔融石英粉体或石英玻璃为原料，采用粉碎、成型、烧结等陶瓷生产工艺制备的均质陶瓷材料。熔融石英陶瓷最早是由美国于20世纪初开发成功并于1963年实现工业化生产。

熔融石英陶瓷坩埚示意图

它具有石英玻璃的许多优良性质(如热膨胀系数小、热震稳定性好、电性能好、耐化学侵蚀性好等)。还具有石英玻璃不具有的其他优良性质。因此熔融石英陶瓷一经研发出来就大规模用于火箭、导弹、玻璃等多数工业领域。

时至今日，熔融石英已经成为超音速导弹天线罩的主要材料，如美国“爱国者”、“潘兴II”、“Sam-D”、俄罗斯的“C-300”、意大利的“Aspide”等导弹天线罩均使用熔融石英陶瓷。我国也有多个型号的导弹采用了熔融石英陶瓷天线罩。

美国Ceradyne公司生产的熔融石英陶瓷天线罩

熔融石英陶瓷的性能特点

熔融石英陶瓷具有以下优点：

(1)较小的热膨胀系数

在室温到800℃之间，纯石英陶瓷体系的热膨胀系数为0.54×10-6/℃，与石英玻璃的热膨胀系数相同，因此具有良好的体积稳定性、热震稳定性和抗高温蠕变性，使其能够在1000℃与20℃空气或水之间，冷热交换次数大于20次。

(2)化学性质稳定

石英陶瓷可以与盐酸、硫酸、硝酸等三大强酸长期直接接触而不发生任何化学变化；其次，石英陶瓷也不与锂、钠、钾、铀等腐蚀性金属熔体发生反应；最后，石英陶瓷还可用耐高温玻璃液体腐蚀。

(3)稳定的热导率

石英陶瓷的热导率很低，并且在室温到1100℃范围内几乎不变。

(4)优越的高温力学性能

当温度达到1000℃时，熔融石英陶瓷的弯曲强度等物理力学性能随温度的升高而增加，其增加值高达33%。这一特征与其它陶瓷不同，主要原因是熔融石英陶瓷随温度升高其塑性增加脆性减小，这一特性有利于熔融石英陶瓷在高温下的应用。

(5)坯体干燥、烧成收缩率小

熔融石英陶瓷干燥、烧成收缩率一般小于5%，因此利于制备大尺寸制品。

(6)良好的介电性能

熔融石英陶瓷介电常数小，介电损耗小，而且介电常数与介电损耗角正切值随温度的变化都远低于其它高温陶瓷，可以满足对雷达波衰减小和畸变小的要求，是导弹和雷达天线罩的理想材料。

(7)良好的抗核辐射性能

熔融石英陶瓷是非晶质结构，具有较小的热膨胀系数，因此在辐射条件下具有相对稳定的结构和强度，不像其它材料都将转变为非晶质结构，这一特性使得其广泛应用于原子能工业及防辐射实验室。

熔融石英陶瓷的制备技术

目前，熔融石英陶瓷的成型工艺有注浆成型、注凝成型、等静压成型、离心浇注成型、浇灌成型、蜡注成型、半干法成型、热压成型等，其中工业上最常用的是注浆成型和注凝成型。

注浆成型：注浆成型是将熔融石英陶瓷颗粒悬浮于水中制成浆料，然后注入石膏模具中，经自然或强制干燥后，即可取出得到素坯。影响注浆成型的因素有很多，主要有浆料粘度、模具材质和结构以及注浆工艺。工艺过程包括浆料制备、模具制备以及注浆。

注浆成型示意图

注浆成型工艺生产效率高，适合于大规模工业生产。但是，由于石英陶瓷泥浆与传统泥浆相比具有固相含量高、触变性强、流动性和悬浮性差等特点，在注浆成形大尺寸或实心制品时，工艺条件较为苛刻。

注凝成型：其为建立在传统注浆成型的基础上衍变发展起来新型技术，20世纪90年代由美国橡树岭国家重点实验室Omatete等提出并研发，其将传统的成型工艺与有机化学理论完美的结合，其是采用凝胶体系中聚合反应形成高分子网络结构把陶瓷粉体原位固化定型，所以又称凝胶注模成型。

此工艺设备简单、坯体强度高、收缩小、易制造复杂形状的熔融石英陶瓷产品，与注浆成型相比成型效率更高，近20年来发展迅速。注浆成型的熔融石英陶瓷产品具有密度高、结构致密、强度高、耐磨性好、抗冲刷等特点，适合制造形状简单、密度和强度要求较高的产品。

由于其近净尺寸生产、可成型复杂形状的制品，已经成为了制备复杂陶瓷制品的新途径，其具体工艺过程主要分为料浆制备、固化脱模、干燥排胶、烧结制品四个部分，其具体工艺流程图如下所示。

注凝成型工艺流程图

注凝成型法的影响因素

注凝成型整个工艺过程中，料浆的制备是关键的一步。料浆的固相含量决定了生坯的体积密度，浆体的粘度决定了能不能成型，所以对于料浆的制备与性能的研究至关重要。

固相含量

采用注凝成型工艺制备高密度低缺陷的坯体，与固相含量息息相关。固相含量是指熔融石英粉与浆体的体积之比。从理论上来讲，固相含量越高，制备得到的生坯致密性能越好。较高的坯体密度意味着其强度的增大，固相含量越高其坯体强度越大。

但是实际上，随着固相含量的增大，黏度会随着增大。这是因为随着固相含量的增加，颗粒间的移动越困难，其黏度增大，流动性变差。一般而言，高固相浆体的固相含量均在50%以上。

pH值

陶瓷粉体料浆的pH值即为其酸碱性，pH值不同，粉体表面带电状况不同，即会改变其Zeta电位。Zeta电位的改变直接影响了粒子间的静电斥力，从而影响了浆体的稳定性。

同时，pH值对于料浆黏度也是一个非常重要的影响因素，所以pH值对料浆性能的研究是必不可少的。

理论上而言，Zeta电位越大，分散性能越好，但是对于熔融石英陶瓷料浆而言，随着pH值增大，造成双电层电荷增多，从而会束缚较多的水，导致胶体外的自由水的量减少；pH值较小时，虽然电位小，但是由于双电层薄，从而胶体外的自由水增多，从而黏度也就会小一些。

分散剂

分散剂在制备高固相含量的料浆体系中起着关键性的作用，分散剂可以防止颗粒之间的聚集，在一定程度上可以减少料浆中水的用量，所以分散剂也可以称作减水剂。

分散剂的用量对于浆体的分散效果影响很大，若分散剂加入量太少，会导致熔融石英粉末颗粒的表面不能完全被分散剂吸附，从而达不到分散的效果，这种现象就叫做不饱和吸附状态。

分散剂的用量太多，会导致熔融石英粉末颗粒的表面吸附过多，造成双电层过厚束缚更多的水，导致流动性变差，同时剩余的未吸附的分散剂颗粒会被高分子链桥接起来，从而抑制了颗粒间的自由运动，导致料浆的黏度变大，这种现象通常称为过饱和状态。

参考来源

何思慧.高致密性熔融石英陶瓷制备技术的研究

蔡德龙等.高温透波陶瓷材料研究进展

曹运红.用于导弹雷达天线罩的材料、工艺现状及未来发展趋势