摘 要 本文綜述了石英陶瓷的應(yīng)用現(xiàn)狀，對其研究、應(yīng)用進行了較為詳細的探討，然后介紹了石英陶瓷增強技術(shù)的發(fā)展情況，并對石英陶瓷的發(fā)展前景和趨勢作了介紹。

關(guān)鍵詞 石英陶瓷，應(yīng)用

1前言

石英陶瓷是一種新型高純耐高溫石英材料，它既保留了石英玻璃的諸多優(yōu)點，又可采用陶瓷的一系列生產(chǎn)工藝。它是以熔融石英或石英玻璃為原料，經(jīng)破碎、成形、燒成等一系列工序制備而成的產(chǎn)品，由美國Georgia 理工學(xué)院在20世紀60年代研制成功并于1963年投入批量生產(chǎn)[1～2]。

石英陶瓷具有導(dǎo)熱性低、膨脹系數(shù)小、耐高溫、熱穩(wěn)定性好，以及與其他品種石英玻璃相比成本低等優(yōu)點。石英陶瓷還有一個最大的優(yōu)點，就是在1100℃以下，其強度隨著溫度的升高而大大增加，從室溫至1100℃，其強度可增加33%。由于具有上述許多優(yōu)良的性質(zhì)，因此自問世以來，迅速得到了推廣及應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域也涉及到宇宙飛船、火箭、導(dǎo)彈、雷達、原子能、電子、鋼鐵、煉焦、有色金屬、玻璃等工業(yè)領(lǐng)域。

2石英陶瓷的應(yīng)用

石英陶瓷目前已大量用于連續(xù)鑄鋼中的長型水口及浸入式水口磚，浮法玻璃生產(chǎn)過程中的閘板磚及流槽，器皿玻璃熔窯成形部之料碗、料盆、勻料筒，特種玻璃熔化用的坩堝，玻璃水平鋼化爐用石英陶瓷，以及鋁生產(chǎn)中的氧化爐磚等冶金、化工、建材、國防及科研等部門。

2.1玻璃生產(chǎn)中應(yīng)用的石英陶瓷產(chǎn)品及其性能

石英陶瓷制品具有熱震穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)小、高溫尺寸穩(wěn)定、對玻璃無污染、容易制作異型、大件制品，且可加工性能好等特性，近年來被國外先進的浮法玻璃企業(yè)應(yīng)用于熱工設(shè)備的某些關(guān)鍵部位，取得了明顯的效果，因而很快成為浮法玻璃行業(yè)的一種新興材料。石英陶瓷在浮法玻璃上的應(yīng)用主要有如下幾方面：

2.1.1 石英陶瓷輥

目前國內(nèi)的玻璃工業(yè)石英陶瓷輥主要用于水平鋼化電爐輥道。該類型的石英陶瓷輥棒為實心圓柱體輥子，兩端裝配有鋼軸頭，而應(yīng)用到浮法生產(chǎn)線過渡輥臺以及退火窯輥道的該類輥棒為空心管狀的輥子，和目前應(yīng)用的耐熱鋼輥子相似。我國石英陶瓷輥已由山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院于1993年研制成功，填補了國內(nèi)空白。設(shè)計好的石英陶瓷輥在安裝時，要用調(diào)心軸承，輕放小心安裝，使用時要先干燥，將瓷輥水分充分烘干，并且要保持其轉(zhuǎn)動狀態(tài)以防止變形[4～5]。

石英陶瓷輥是推動有關(guān)行業(yè)技術(shù)進步的高技術(shù)產(chǎn)品，在金屬帶材熱處理爐中代替石墨輥和陶瓷涂層輥作為爐底輥使用，可有效地解決氧化和結(jié)痂問題，使用壽命延長8～12倍，且可提高熱處理溫度從而提高金屬帶材的檔次和質(zhì)量。

在浮法玻璃退火窯中作為爐底輥使用，可大大減少厚玻璃底部表面的缺陷數(shù)量，使生產(chǎn)高質(zhì)量薄玻璃時的氧化錫附著現(xiàn)象明顯減少，同時減少了玻璃底部表面的過冷卻現(xiàn)象從而消除了應(yīng)力裂紋，對降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和檔次具有明顯的作用。

2.1.2石英陶瓷孔板和底托

在生產(chǎn)水平鋼化玻璃時，玻璃板在加熱和冷卻過程中依靠冷熱燃氣——空氣墊支撐，這種冷熱氣墊由流向玻璃底面的許多氣流組成。為了構(gòu)成熱氣墊，使用由孔板和底托構(gòu)成的裝置。

2.1.3石英陶瓷內(nèi)澆口杯

內(nèi)澆口杯是玻璃成形機最大最復(fù)雜的液滴內(nèi)澆口陶瓷件。這種制品由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大而難以生產(chǎn)，它具有不同直徑的孔眼，其外表面圍有加厚帶和筋骨，造成了殼體厚度的明顯差別。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)澆口杯靠石膏模泥漿澆注成形。

2.1.4石英陶瓷導(dǎo)氣噴嘴

它配置于不同的溫度區(qū)：1400～1410℃，1445～1450℃，1475～1480℃，1500～1510℃，使用期限在18個月以上，而耐火粘土噴嘴在相同的條件下使用還不足20天。

2.1.5石英陶瓷攪拌器

使用溫度1400℃左右，攪拌器同在X射線掃描高鋰玻璃熔窯上，在1330℃的工作介質(zhì)下的使用次數(shù)在35周期以上，而耐火粘土攪拌器僅為1周期。

2.1.6石英陶瓷柱塞

這種柱塞用于定量輸供玻璃料，使用溫度1200℃左右，使用壽命30～55天。

2.1.7石英陶瓷調(diào)節(jié)閘板

該產(chǎn)品用于調(diào)節(jié)玻璃料流，使用期限為6～9個月。另外，廣泛使用的還有各種規(guī)格的玻璃熔窯用石英陶瓷襯磚、風(fēng)嘴、給料器襯件和裝配球頭、玻璃軟化成形窯用浮雕陰模和成形板、熱拋光玻璃生產(chǎn)用擋板、坩堝等。

2.2 在冶金工業(yè)中的應(yīng)用及研究

熔融石英水口是我國連續(xù)鑄鋼用耐火材料的品種之一。趙旭光等對熔融石英澆注泥漿的顆粒級配和外加劑以及相應(yīng)的配套工藝進行了系統(tǒng)的研究，其效果十分顯著，產(chǎn)品的指標(biāo)達到國外同類產(chǎn)品的先進水平。采用真空浸漬處理工藝，在熔融石英水口的空隙內(nèi)填充一些離子，從而減少氣孔，有效增密，提高了產(chǎn)品強度[6～7]。

宋海峰等[8]對用于鋁合金、鎂合金等的低壓鑄造的石英陶瓷升液管的研究現(xiàn)狀進行了論述，指出石英陶瓷升液管具有非浸潤性，極好的抗鋁合金、鎂合金沖擊性，熱震穩(wěn)定性好，高的耐金屬熔體侵蝕性和良好的機械性能。

熔融石英同等厚度型殼質(zhì)量小，熱膨脹系數(shù)小，有利于防止脫蠟和焙燒過程中型殼開裂和變形，同時對提高鑄件尺寸精度也甚為有利，熔融石英型殼透氣性高，高溫抗蠕變能力強，脫殼性能好，常用于精鑄工業(yè)中[9]。

2001年美國著名耐火材料生產(chǎn)廠商Minco公司公布了對美國熔模鑄造企業(yè)型殼耐火材料使用現(xiàn)狀的調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在美國精鑄業(yè)中，熔融石英的使用僅次于鋁～硅系材料，遠遠超過鋯石等其他耐火材料[10]。

李永全等[11]研制的熔融石英質(zhì)側(cè)封板不僅耐急冷急熱性能十分突出，而且熱導(dǎo)率低并具有優(yōu)良的耐熔鋼侵蝕性，良好的隔熱性能，同時具有良好的耐磨性能，能保證側(cè)封板與結(jié)晶輥之間良好的動態(tài)密封，其產(chǎn)品基本上能滿足薄帶連鑄試驗條件下的側(cè)封任務(wù)。

2.3 在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用及研究

2.3.1 耐高溫材料

石英陶瓷具有很高的高溫粘度，在2500℃以上高速穿過大氣層時的損壞速度只有0.025mm/s。石英陶瓷可用作航天飛行器的隔熱材料。同時，石英陶瓷還可用于火箭發(fā)動機的噴嘴、頭部及前室等部位[8，12]。

2.3.2 石英陶瓷在天線罩中的應(yīng)用

石英陶瓷具有極小的線膨脹系數(shù)（約 0.5×10-6K-1 ），較好的抗熱沖擊性能，低的介電常數(shù)（3.0～3.5）和損耗角正切（小于0.0004），且隨溫度變化??；導(dǎo)熱系數(shù)小，熱防護能力好；強度隨溫度的升高而升高；制造工藝相對簡單，成本較低。因此長期以來，石英陶瓷是超音速導(dǎo)彈天線罩的主要材料。它可以滿足對雷達波透過損失小和畸變小的要求，又滿足了導(dǎo)彈氣動外形、耐氣動加熱和結(jié)構(gòu)強度等方面的要求。國外不同型號、不同空域的導(dǎo)彈，如美國的“愛國者”、“潘興Ⅱ號”及意大利的“Aspide”導(dǎo)彈、美國陸軍“Sam-D”導(dǎo)彈的天線罩均使用熔融石英陶瓷[13～15]。

2.4 石英陶瓷在高溫部件中的應(yīng)用和研究

張文麗等[16]用石英玻璃廢料和晶相發(fā)育良好的預(yù)合成堇青石，并添加部分粘土制成了性能優(yōu)良的窯具材料，該材料的膨脹系數(shù)小，有優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性，既能承受溫度頻繁的劇變又能在高溫下承受一定的載荷，是一種使用壽命長的理想窯具材料。李曉明等[17]用莫來石結(jié)合熔融石英制得了方石英析晶很少、具有優(yōu)良熱穩(wěn)定性的窯具。章秦娟[18]對提高熔融石英匣缽質(zhì)量進行了研究，從原料配方、細度、顆粒級配及裝燒等工藝入手，通過提高匣缽中熔融石英含量，增加粗顆粒比例（8～10目顆粒比例從20%提高到40%），制得的產(chǎn)品壽命由原來的10～15次提高到40～50次。

2.5 石英陶瓷在電工行業(yè)的應(yīng)用

石英陶瓷在常溫和高溫下具有高的擊穿電壓、低的介電常數(shù)和損耗角正切，以及熱震穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、高溫性能好的特點，是性能優(yōu)異的電熱絕緣體和光波反射體。它在原子設(shè)備中性能穩(wěn)定，是唯一防快中子和輻射作用的材料。用石英陶瓷可制成應(yīng)用于水泥工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、熱電廠等的濾波器。石英陶瓷構(gòu)件可用于熱電加熱器中[19]。

在電工行業(yè)，石英陶瓷廣泛用作氣體放電室用絕緣罩、大功率電阻爐加熱器爐體、導(dǎo)流加熱器、電弧預(yù)熱器(熱保護導(dǎo)流罩)、滅弧罩、化纖機預(yù)熱爐用絕緣器件、電除塵石英管、光量子發(fā)生器的光源器件、氣體激光放電室元件以及其他一些熱電絕緣器件。另外，還可以將鎳鉻絲預(yù)成形到石英陶瓷制品內(nèi)部再燒成為最終產(chǎn)品以及在石英陶瓷板或管上涂覆導(dǎo)電膜的電加熱元件[8]。

2.6 石英陶瓷在耐腐蝕件中的應(yīng)用

石英陶瓷因其化學(xué)穩(wěn)定性好、熱震穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、高溫性能好等特點，從而在化工行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。其制品形狀各異，包括斷面形狀為圓形、橢圓形及其他形狀的管，表面有平行或正弦形的溝槽或通道以及內(nèi)部有空腔或通道的板，反應(yīng)設(shè)備及管路系統(tǒng)的壁面用磚、三通、漏斗、坩堝、螺旋推進器等。

2.7 石英陶瓷的其他應(yīng)用

隨著綠色環(huán)保能源不斷被重視和發(fā)展，太陽能作為綠色能源受到世界各國的普遍重視，大尺寸方形石英陶瓷坩堝是太陽能電池用多晶硅鑄錠生產(chǎn)用的主要消耗材料，此種坩堝純度高、內(nèi)在質(zhì)量好、高溫性能好，對多晶硅無污染，使用溫度可達1450℃以上。石英陶瓷已被太陽能用硅生產(chǎn)行業(yè)和領(lǐng)域所認可并應(yīng)用。

精密直線電機驅(qū)動平臺中，運動平臺受直線電機初級部件發(fā)熱影響最大，所以精密平臺應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小、對溫度變化不敏感的材料，石英陶瓷是此類平臺比較理想的陶瓷材料[20]。

石英陶瓷具有高白度及相應(yīng)的反射能力，被視為固體激光器的最佳材料。作為光波量子發(fā)生器的發(fā)光體部件，石英陶瓷反射器無可比擬。石英陶瓷制品已成功地應(yīng)用于工業(yè)連續(xù)式激光器中。

3石英陶瓷添加劑的研究現(xiàn)狀

李友勝等[21]為改善熔融石英陶瓷材料的低溫?zé)Y(jié)性能，選用石英玻璃粉為主要原料，研究了H3BO3、B4C、Si、SiC、CeO2和Y2O3六種外加劑對熔融石英陶瓷燒結(jié)性能的影響。結(jié)果表明：添加Si、SiC、CeO2和Y2O3時對熔融石英陶瓷低溫?zé)Y(jié)的促進作用較??；H3BO3和B4C高溫下能增加材料中的液相生成量，加快材料的擴散傳質(zhì)，從而能有效地促進熔融石英陶瓷的燒結(jié)。

韓國志[22]研究了氮化硅對石英陶瓷的影響，研究發(fā)現(xiàn)：氮化硅有助于石英陶瓷的燒結(jié)，而對燒結(jié)溫度無影響。在1150～1200℃的溫度范圍內(nèi)，添加0.5%～1.5%的氮化硅不會引起石英玻璃的析晶，石英陶瓷的強度、體積密度隨氮化硅添加量的增大和燒結(jié)溫度的提高而增大，而石英陶瓷的顯氣孔率隨氮化硅添加量的增大和燒結(jié)溫度的升高而減小。

韓歡慶等發(fā)明的熔融石英陶瓷材料以 SiO2為基并加入1%～8%BN，為提高材料的抗彎強度，還可在該材料中加入10%～20%的短碳纖維Csf或碳化硅晶須SiCw中的任一種原料。該材料與現(xiàn)有技術(shù)相比不但綜合性能好，而且析晶溫度明顯提高，特別適合于制備各種高強度防熱陶瓷部件。

有人對稀土摻雜石英陶瓷進行了研究，利用烷氧基硅烷和稀土化合物，通過溶膠-凝膠法制備稀土摻雜石英粉，然后通過成形和燒結(jié)工藝得到稀土摻雜石英陶瓷，該產(chǎn)品具有抗光輻射、超高頻輻射、電離輻射的優(yōu)異性能，并且能經(jīng)受溫度的急劇變化和耐熱沖擊[23]。此外，高冬云等[24]還對石英陶瓷的增強方法作了概述，提出增強的四種方法：加入纖維、晶須、第二相顆粒及表面壓應(yīng)力增強。

4石英陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

目前，國外生產(chǎn)熔融石英陶瓷制品的廠家主要有美國、法國、日本及俄羅斯的幾家公司。國外產(chǎn)品具有較高的密度、強度和均勻性，但價格昂貴。

我國熔融石英陶瓷的研究自1972年由洛陽耐火材料研究所首次研究成功以來，國內(nèi)一些耐火材料廠相繼生產(chǎn)同類產(chǎn)品。值得一提的是，山東工陶院近幾年來對石英陶瓷的研究取得了眾多成果，廣泛應(yīng)用于玻璃、冶金、軍工、電工等行業(yè)中。同時他們不斷有新產(chǎn)品出現(xiàn)，部分產(chǎn)品甚至可以取代國外的產(chǎn)品。

國內(nèi)熔融石英陶瓷制品與國外同類產(chǎn)品相比，主要存在體積密度低、顯氣孔率高、結(jié)構(gòu)疏松、致密性和均勻性差等問題，國內(nèi)多數(shù)石英陶瓷生產(chǎn)廠家生產(chǎn)工藝落后、產(chǎn)品單一、質(zhì)量差，大多靠質(zhì)次價廉的低檔次產(chǎn)品維持生計。

石英陶瓷新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)的同時，石英陶瓷的生產(chǎn)工藝也在不斷發(fā)展，如成形工藝中，采取了較為先進的凝膠注模成形法，使燒結(jié)產(chǎn)品密度達到理論密度的87%，同時還提高了產(chǎn)品的精度，燒結(jié)產(chǎn)品不用加工就可直接使用[25]。

隨著國外各種石英陶瓷新產(chǎn)品不斷登陸以及國內(nèi)各行業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量要求的日益提高，傳統(tǒng)產(chǎn)品已逐漸不能滿足有關(guān)行業(yè)的需要。進口產(chǎn)品質(zhì)量雖好，但價格昂貴，況且進口產(chǎn)品也并不盡如人意，國內(nèi)許多廠家正在開發(fā)質(zhì)優(yōu)價宜的石英陶瓷產(chǎn)品來替代進口產(chǎn)品，滿足國內(nèi)的需求，石英陶瓷的研究以及應(yīng)用都有廣闊和美好的前景。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展及石英陶瓷制備技術(shù)的不斷完善和提高，以及石英陶瓷研究的不斷深入，石英陶瓷正在被更多的行業(yè)和領(lǐng)域所認知并應(yīng)用。

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