浅谈硅微粉在氧化铝泡沫陶瓷中的作用

摘要:本文简单阐述了硅微粉的分类、应用和性质,分析了硅微粉在氧化铝泡沫陶瓷中的作用及高温反应的结合机理,同时研究了硅微粉对氧化铝泡沫陶瓷浆料性能和制品性能的影响。经试验分析,适量的硅微粉可促进氧化铝泡沫陶瓷的烧结,提高制品的强度,而对氧化铝浆料无不良影响。

关键词:硅微粉;氧化铝;泡沫陶瓷;作用

1前 言

随着陶瓷及耐火材料工业技术的不断进步,各种高技术陶瓷和耐火材料制品对微粉的质量、品种提出了更高的要求。早期研究发现,在生产普通耐火材料时,通过提高基质中细粉的细度可促进制品的烧结,并能改善制品的性能[1]。硅微粉作为使用广泛的一种微粉原料,由于它具有耐温性好、耐酸碱腐蚀、粒度分布可控、高绝缘、低膨胀、化学性能稳定、硬度大等优良性能,被广泛用于特种陶瓷、化工、电子、塑料、高级油漆、橡胶、国防等领域[2]。随着高技术领域的迅猛发展,硅微粉亦将步入新的历史发展时期。

氧化铝泡沫陶瓷主要是由氧化铝细粉、高岭土、钾长石、硅微粉等原料制作而成,随着氧化铝泡沫陶瓷使用越来越广泛,人们对其研究也越来越多。但大多数的研究都集中在生产工艺和产品性能上,对其使用的原料性能研究比较少。作为氧化铝泡沫陶瓷生产使用较多的一种添加辅助料之一,硅微粉的加入起着改善氧化铝泡沫陶瓷制品性能的微妙作用。

2硅微粉的分类

硅微粉是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料,主要成分为SiO2,由于制作工艺的不同,硅微粉的主晶相也有所不同。硅微粉是微粉的一种,而微粉的分类有很多,目前较普遍的分类为微粉、超微粉、极微粒子三种[3],一般应用于陶瓷和耐火材料中的微粉的粒径大多在0.1～10μm之间,而陶瓷和耐火材料工业所用SiO2微粉主要是微米级。

硅微粉按其制作方法可分为以下几类:

(1) 硅灰:或称冷凝硅灰,由铁合金厂气相沉淀而形成;

(2) 粉石英:天然矿物;

(3) 粉碎机磨制的SiO2微粉;

(4) 填料用白炭黑;

(5) 电子工业副产品;

(6) 表面经硅烷偶联化处理的活性SiO2微粉;

(7) 熔融石英微粉。

一般所用的硅微粉中二氧化硅成分含量大于98%,其中性能最佳、应用最广的当属硅灰(铁合金厂及金属硅厂的副产品),由于硅灰的颜色是灰色,尽管其性能相对优越,但氧化铝泡沫陶瓷中很少采用,而在碳化硅泡沫陶瓷中则使用较多。

3硅微粉的性质与应用

不同制作工艺生产的硅微粉品质也不同,按生产工艺可分为:结晶硅微粉、熔融硅微粉、方石英硅微粉和活性硅微粉四种,不同品质的硅微粉其应用范围也有所不同。

3.1 结晶硅微粉

结晶硅微粉是利用高品位的天然石英,通过独特的无铁研磨工艺生产加工而成,其色白、质纯。因其工艺成熟而具有稳定的物理、化学特性及合理、可控的粒度分布。结晶硅微粉可分为高纯度结晶硅微粉、电子级结晶硅微粉及一般填料级结晶硅微粉。结晶硅微粉应用范围较广泛,如金属铸造、陶瓷、硅橡胶、涂料及化工行业等。

3.2 熔融硅微粉

熔融硅微粉是选用优质的天然石英,通过独特处理工艺加工而形成的粉末,通过高温处理,其分子结构排列由有序排列转为无序排列。其色白、纯度较高并具有以下特性:极低的线膨胀系数、良好的电磁辐射性和耐化学腐蚀、稳定的化学特性;合理有序且可控的粒度分布。熔融硅微粉一般应用于高端科技行业,如大规模及超大规模集成电路用塑封料、环氧浇注料及其它化工领域。

3.3 方石英硅微粉

方石英硅微粉是选用优质天然石英,经过高温煅烧后获得的高纯度硅石,经快速冷却改变其晶体结构,再粉碎制得,其主晶相为方石英。由于其稳定的化学性质,合理有序、可控的粒度分布而被广泛应用于陶瓷釉料、橡胶填料等行业。

3.4 活性硅微粉

活性硅微粉通过其独特的工艺,采用硅烷等材料对硅微粉颗粒表面进行改性处理,增强了硅微粉的憎水性能,提高了混合料及填充系统的机械、电子和化学特性,因而活性硅微粉被广泛用于电子、国防科技等行业。

4硅微粉在氧化铝泡沫陶瓷中的作用

硅微粉作为少量添加剂(加入量为1%～10%)加入到氧化铝泡沫陶瓷中,起到改善产品性能和降低生产成本的目的。生产过程中,一般希望采用的硅微粉粒径越细越好、粒度分布越窄越好、白度越高越好。硅微粉的粒径越细,越有利于泡沫陶瓷的烧结,与氧化铝微粉反应在较低温度便可生成莫来石晶相。据文献报道,平均粒径在20μm以下的硅微粉与Al2O3微粉反应,在700℃便可生成莫来石晶相,1200℃可形成稳定的莫来石晶相[4]。硅微粉白度高则生产出的氧化铝泡沫陶瓷颜色好、色差小。

4.1 硅微粉对氧化铝泡沫陶瓷浆料性能的影响

氧化铝泡沫陶瓷的浆料性能直接影响着海绵挂浆的效果,从而对制品的烧结程度与强度、通孔率、体积密度等性能影响很大[5]。硅微粉由于堆积密度小,如果加入太多,将影响浆料的性能。因此应控制加入量,并细化粒度,将其较好地融入浆料中并分散均匀,一般采用的硅微粉粒径为1000～2000目。

4.2 硅微粉对氧化铝泡沫陶瓷产品性能的影响

硅微粉中的游离二氧化硅在高温下与分散氧化铝微粉作用,生成一定量的莫来石晶体,有利于氧化铝泡沫陶瓷机械强度的提高。但硅微粉加入量不宜过多(不超过10%),否则因硅微粉堆积密度小而影响浆料挂浆性能,并且还可能因堆积不紧密而导致烧结产品不够致密。从产品性能来看,过多的莫来石晶体反而会使氧化铝泡沫陶瓷强度下降,硬度也变差。因为莫来石晶体本身的性能并没有氧化铝晶体的性能优越,而少量的莫来石晶体弥散在氧化铝晶体中,则可以起到增强增韧作用,达到改善氧化铝泡沫陶瓷性能的作用。由于形成稳定莫来石晶相的烧结温度约为1200℃,所以一般配料中还加入长石、滑石等助熔添加剂,形成多元共熔体以降低莫来石的形成温度及氧化铝的烧结温度。

5 结 论

通过加入硅微粉,氧化铝泡沫陶瓷的性能得到了一定的改善,生产成本也有所降低。由于加入量小,且颗粒细度大,硅微粉对泡沫陶瓷浆料性能的影响很小。硅微粉对制品性能的影响,主要体现在高温烧结过程中,根据目前的理论及实际试验结果,笔者认为硅微粉对氧化铝泡沫陶瓷的作用有三点:一是通过填隙减少气孔;二是在较低温度下与氧化铝微粉结合较好,封闭部分贯通气孔,从而使制品致密化;三是在高温过程中产生莫来石晶相,弥散到制品中,从而改善制品性能。

参考文献

[1] 牟善彬.陶瓷原料超细粉颗粒的分散与粒度分析[J].佛山陶

瓷,2002,(01)

[2] 卢英常,张跃英.硅微粉的用途及生成技术[J].中国非金属

矿工业导刊,2009,(04):40-43.

[3] 张嫦,李晖,秦必武等.硅微粉粒度测定中的分散性探讨[J].

西南民族大学学报,2008,01.

[4] 李晓明.微粉与新型耐火材料[M].北京:冶金工业出版社,

1997:49-56.

[5] 曾令可,王慧,罗明华等.多孔功能陶瓷制备与应用[M].北京:

化学工业出版社,2006:22-24.