组成与工艺参数对滑石瓷致密性及介电性能影响研究文献综述

 2021-10-08 06:10

毕业论文课题相关文献综述

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文献综述

滑石瓷是以矿物滑石(3MgO4SiO2H2O)为主要原料,加入适当量的黏土和BaTiO3等配料经混料磨细、成型和高温烧结等工艺制成[1]。滑石瓷具有介电损耗低的特点,所以它能用于制作高压高功率电容器、绝缘子、电子管座、波段开关、电容器支柱、电子线圈骨架等。

滑石瓷的主晶相为偏硅酸镁(MgSiO3),属于斜方晶系,于1557℃发生分解,具有介电损失小,密度高等良好性能。介电常数6~7,介质损耗正切值在3~2010-4之间波动;体积电阻率高(在100℃下的体积电阻率达1011~1014Ωcm);绝缘强度是20~30KV/mm;化学稳定性好。耐酸、耐碱、耐腐蚀,特别是静态抗弯强度高,通常1200-2000Kg/cm3,所以做高频装置瓷元件时更显示了它的优点[2,3]。

陶瓷制备包括原料选择、粉体制备、成型、烧结、性能测试等过程。在制备过程中,任何一个环节参数的改变都将影响其最终性能。

我国滑石矿产资源丰富,出口量居世界第一,储量居世界第二。滑石矿是一种优异的可开发资源[4,5]。我国著名产地有辽宁海城、本溪;山东掖南、海阳;广西龙胜、陆川,山西太原;广东高州、信宜等地。因此,以滑石为主要原料,扩大滑石瓷的生产在我国是大有前途的[6]。表1是一些国内外重要滑石矿的主要成分。

表1一些国内外重要滑石矿的主要成分

辽宁海城

山东掖南

山西太原

广东高州

广西陆川

美国蒙大拿州

日本长崎大串

滑石的理论值

SiO2

60.24

59.56

57.90

61.12

57.92

62.65

61.83

63.52

TiO2

0.03

0.11

/

/

/

/

/

Al2O3

1.17

1.51

0.96

0.36

1.97

0.31

1.28

Fe2O3

0.06

0.38

0.18

0.63

0.50

1.51

/

FeO

/

/

/

/

/

/

1.58

CaO

0.22

0.40

1.18

0.80

0.80

/

0.25

MgO

32.58

32.37

32.95

31.74

30.40

30.23

30.77

31.72

K2O

0.06

0.02

>0.25

0.04

/

0.05

0.13

Na2O

0.04

0.05

0.07

/

0.15

0.12

灼减

6.44

5.59

6.84

4.08

5.74

4.87

4.70

4.76

总计

100.87

99.99

100.26

98.84

97.33

100.04

100.66

100

比较上述滑石矿成分,辽宁海城滑石中Fe2O3、K2O、Na2O的含量相对较低,这对于制作介电陶瓷来说,有不可多得的好处[7]。

滑石的预烧工艺是生产的关键之一[8]。预烧的目的有以下几点:

①破坏它的层状结构,使之成为链状的顽火辉石结构,避免滑石薄片在成型过程中出现定向排列,造成瓷坯由于滑石薄片各向异性引起内应力,从而导致瓷件强度降低和开裂。

②预烧后由于脱水及晶型转变,降低瓷件的收缩率。

③增加滑石的脆性,便于粉磨。

预烧的温度及转变程度决定于矿化剂的种类和量。为了降低预烧温度,可以加人硼酸、碳酸钡或高岭土等矿化剂。例如加人5%的苏州土,滑石的预烧温度可降低40~50℃。当滑石中含杂质氧化铁时,最好采用还原气氛预烧,以除去三价铁离子对瓷件性能的不利影响。另外,预烧滑石增加了硬度,降低了可塑性,对成型造成困难,模具的损耗加快,因此在配方中有时与生滑石搭配使用,以提高塑性和增加模具润滑。

滑石经煅烧后硬度增加,泥料磨细时间也相应延长,在当今倡导节能环保的大环境下,如何缩短研磨时间、提高研磨效率也是重要技术。河北长城陶瓷公司[9]通过添加0.024%助磨剂对滑石泥料进行球磨,效果最好,球磨时间从90h减到48h,颗粒细度为0.030g/万孔筛余,而且成瓷吸水率最小,为0.09%。

得到所需粒度的粉体,需对滑石进行成型。实际生产中由于滑石瓷产品一般尺寸较小,外形较复杂,数量较大,故采用热压铸成型的较多。热压成型是在热压铸机上进行的。热压铸成型具有设备简单、磨具磨损小、操作方便、生产效率高的优点,其成型的坯体结构紧密、尺寸较准确、光洁度较高。排蜡是热压铸成型的坯体所特有的工序。石蜡的蒸发温度为120~130℃,而它的熔融温度在50~60℃,所以坯体在60~120℃之间由于液态石蜡粘度低,容易发生变形。生产上通常采用吸附剂将坯体埋在其中,吸附剂包围着坯体,不致变形,同时吸附液态石蜡,然后再蒸发,滑石瓷排蜡常用的吸附剂有煅烧过的Al2O3粉和滑石粉[10]。实验室主要采用干压成型法,有机粘结剂添加含量较少,不易生成排蜡过程中易产生的缺陷,故不详细介绍。

滑石的烧结温度范围一般只有20℃左右,给滑石的烧成带来一定的难度,温度略低会欠烧,温度高了容易造成产品的变形,甚至起泡、软塌等[11]。这是因为滑石的烧结是在相当数量的粘滞性硅酸盐液相参与下进行的。要实现陶瓷的致密化,必须要靠粘滞性液相对瓷坯空隙进行填充,液相含量通常需要在20~35%以上。由于滑石瓷的基础组成只有加热到低共熔温度1355℃时才开始出现液相,而当出现液相以后,随着沮度的升高,液相量增加得非常迅速,就导致了以MgO-Al2O3-SiO2三元系为基础的滑石瓷瓷料实现良好烧结的沮度范围仍然非常窄,上述实际基础滑石瓷瓷料的烧结范围一般只有20℃左右。因此解决烧结温度问题窄可以通过加人添加剂提高液相的粘度,使瓷坯在高温下不易变形。此外通过添加剂降低烧结温度,可以拓宽烧结范围。例如加人2%~3%的氧化锌,能把烧结范围扩大35℃左右,促进滑石瓷细晶结构,提高机械强度。加入5%~10%的碳酸钡能使液相出现温度降低到1230℃。加入小于4%的氧化锆,扩大烧结范围,抑制晶粒长大。长石对扩大烧结范围的效果很好,但要避免引入碱金属离子[12]。

另外,制定适宜的烧成制定也非常重要,烧成窑炉的类型和结构应能保证具有尽可能小的温度不均匀性。滑石瓷烧成制度的确定应考虑多方面的因素。产品的类型和大小、瓷料的配方以及配料是否经过预烧等都是影响和决定烧成温度和烧成制度的基本因素。滑石瓷烧结时对气氛无特别要求,但当坯料中含较多铁或钛时,应分别考虑用还原或氧化气氛。另外,在冷却阶段,温度在700~550℃之间,要控制冷却速度,以免造成玻璃相中残余应力,以及晶型未充分转化而造成开裂、老化等弊端。

众所周知,对于任何一种产品,我们除了要求其性能优良,还要求其性能稳定,能长期保持最佳性能。滑石瓷制品烧成以后,在储存、运输、加工及使用过程中会自动产生裂缝空隙及松散成粉,这种现象称为滑石瓷的老化[10]。有时甚至在制品烧成后,表面就出现白粉斑点,它逐渐扩大导致整个坯体松散成粉。一般认为滑石瓷的老化与偏硅酸镁的晶型转变有关。研究表明,滑石瓷的老化原因是:原顽辉石是高温稳定形态,而顽火辉石是低温稳定的,即在原顽辉石转变为顽火辉石或斜顽辉石时,伴随有较大的体积变化。滑石瓷的老化即是由于原顽辉石在冷却、放置及使用过程中,晶型向顽火辉石或斜顽辉石转化引起的,而且这种转变在缓慢中进行[14,15]。

防止滑石老化的办法主要有[14,16]:

①将原料磨至足够的细度,加入适量的晶粒抑制剂减少的含量,防止晶粒长大。因为细晶的活性大,在烧结后的冷却过程中易于转化。而未能转化的原顽辉石,由于晶粒微小晶态特性削弱,同时小晶体在转变时收缩线度小,受到晶界或玻璃相的缓冲作用,所产生的内应力小。因此,正常的滑石瓷晶粒大小应控制在7pm以下。此外,细晶结构不仅能大幅度提高机械强度,而且也能降低烧结温度,提高瓷件电性能。细度对电性能及烧结温度也有很大影响,一般规定球磨后的细度为万孔筛余0.1%。

②加入适量外加剂,以形成足够的玻璃相并包裹细晶的原顽辉石,防止它的晶型转变。实践证明,钡玻璃抗老化效果显著。

③加入能与硅酸镁生成固溶体的物质,例如加入少量的氧化锰或硅酸锰,与其生成固溶体,必然会影响晶型转变,减低老化现象。

④控制氧化硅含量。当氧化硅过少时,形成的玻璃相不足,过多则游离出方石英,其多晶转化能诱发原顽辉石的多晶转化。

⑤控制冷却温度,在900℃以上进行快冷,以便生成细晶结构,防止老化。

要保持滑石瓷性能的稳定,除了防老化,还应提高其致密度,减小气孔率。因为长期放置,空气中的水分会被吸收,从而影响滑石瓷的介电性能。所以我们的目的就是通过对滑石瓷组成及工艺参数的研究,尝试研制出满足具有高致密度、介电性能优良的滑石瓷。

参考文献:

[1]曲远方.现代陶瓷材料及技术[M].华东理工大学出版社,2008:49.

[2]郭东明.试析滑石瓷的工艺改进[J].陶瓷研究,1989,(01):14-16.

[3]AbeK.Processforproducingacompositionwhichincludesperovskitecompounds[P]US:4643984,1987-02-17.

[54]ScottLSwartz,ThomasRShrout,TadashiTakenaka.ElectronicceramicsRDintheUS,JapanpartⅠ:patenthistory[J].AmCeramSocBull,1997,76(7):59-65.

[5]DawsonWJ.Hydrothermalsynthesisofadvancedceramicpowders[J]AmCeramSocBull,1988,67(10):1673-1678.

[6]方邺森,方金满.陶瓷矿物原料滑石[J].硅酸盐通报,1984,(02):52-57.

[7]范生辉.滑石质介电陶瓷的制备及性能分析[D].吉林:吉林大学,2004.

[8]刘维良.先进陶瓷工艺学[M].武汉理工大学出版社,2004:268-269.

[9]王占一.提高滑石瓷泥料研磨效率的有效方法[J].河北陶瓷,1999,(02):45-46.

[10]何国明.滑石瓷热压铸和排蜡过程中常见缺陷及改进[J].江苏陶瓷,2005,(01):37-38,46.

[11]诸爱珍.滑石瓷的烧结问题及解决办法[J].山东陶瓷,2003,(06):28-31.

[12]刘康时.陶瓷工艺学[M].中国建筑工业出版社,1981:315-316.

[13]钦征骑.新型陶瓷材料手册[M].江苏科学技术出版社,1995:238-240.

[14]唐志阳.滑石瓷老化产生的原因及解决办法[J].陶瓷,2010,(09):19-21.

[15]N.Santha,R.Ratheesh,Preparationandcharacterizationofbismuthrareearthtungstate(BiREWO6)dielectricceramics[J].MaterialsScience:Materialsinelectronics,2002,13(4):229-233.

[16]王洪生.滑石瓷老化的成因及其对策[J].江苏陶瓷,1998,(02):28-31.

文献综述

滑石瓷是以矿物滑石(3MgO4SiO2H2O)为主要原料,加入适当量的黏土和BaTiO3等配料经混料磨细、成型和高温烧结等工艺制成[1]。滑石瓷具有介电损耗低的特点,所以它能用于制作高压高功率电容器、绝缘子、电子管座、波段开关、电容器支柱、电子线圈骨架等。

滑石瓷的主晶相为偏硅酸镁(MgSiO3),属于斜方晶系,于1557℃发生分解,具有介电损失小,密度高等良好性能。介电常数6~7,介质损耗正切值在3~2010-4之间波动;体积电阻率高(在100℃下的体积电阻率达1011~1014Ωcm);绝缘强度是20~30KV/mm;化学稳定性好。耐酸、耐碱、耐腐蚀,特别是静态抗弯强度高,通常1200-2000Kg/cm3,所以做高频装置瓷元件时更显示了它的优点[2,3]。

陶瓷制备包括原料选择、粉体制备、成型、烧结、性能测试等过程。在制备过程中,任何一个环节参数的改变都将影响其最终性能。

我国滑石矿产资源丰富,出口量居世界第一,储量居世界第二。滑石矿是一种优异的可开发资源[4,5]。我国著名产地有辽宁海城、本溪;山东掖南、海阳;广西龙胜、陆川,山西太原;广东高州、信宜等地。因此,以滑石为主要原料,扩大滑石瓷的生产在我国是大有前途的[6]。表1是一些国内外重要滑石矿的主要成分。

表1一些国内外重要滑石矿的主要成分

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