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浅聊氧化镁在陶瓷中的作用有哪些

2022-11-19 08:36:49

氧化镁是一种相当常见的碱性氧化物,是生产氢氧化镁和金属镁的主要原料。在陶瓷材料运用中,由于氧化镁的熔点高达2800℃,具有一些特殊优异的性能,因此在先进陶瓷领域内也相当吃香,它可直接烧结成氧化镁陶瓷,也可作为添加剂使用。

氧化镁粉体制备

氧化镁的制备分为卤水-氨水沉淀法、白云石碳化法、镁盐热分解和菱美矿热分解法等。制备方面,原材料源于矿物或海水,从矿物或海水中提取MgO,大多先制成氢氧化镁或碳酸镁,然后经煅烧分解成MgO,将这种MgO通过进一步化学处理或热处理可得到高纯MgO,如果要求具有高纯度的MgO陶瓷,就不能采用加入添加剂的方法来促进烧结和晶粒长大,而是采用活化烧结的方法,即将Mg(OH)2在适当温度下煅烧,得到具有很多晶格缺陷的活性MgO,用以制造烧结氧化镁陶瓷。

氧化镁

氧化镁陶瓷

(1)MgO透明陶瓷

MgO透明陶瓷透明性和红外透光过性好,它是一种光学各向同性体,具有较好的耐碱金属蒸气腐蚀性、高熔点、高导热性、较小的理论密度、高绝缘及高红外透过性等优点。在可见光及红外透光材料领域具有广泛的应用,性能优于氧化铝陶瓷,是一种很有前景的材料。

典型应用:是制备宇航器及火箭导弹的红外窗口和整流罩、高温炉红外窗口、高温红外光学装置、光学滤光片和光学检波器、高压钠灯发光管和红外探测器罩的重要材料。

(2)MgO泡沫陶瓷

泡沫陶瓷材料作为一种新型陶瓷功能材料,它的发展从20世纪70年代就开始了。MgO泡沫陶瓷具有独有的三维立体网状骨架结构,使其具有60%-90%的开孔率,可高效的清除金属液中的大块杂物和大部分微小悬浮夹杂物,具有高耐火度、高气孔率、低热传导率、制造成本低、制备工艺简单,具备良好的机械性能。在国内北京大学的李文霞等人以氧化镁为骨料,加入适量的ZrO2制备出氧化镁部分稳定氧化锆泡沫陶瓷过滤器,其在镍基合金单晶片生产中取得了很好的效果,填补了国内的技术空白。

典型应用:

a、过滤器。利用滤饼效应、吸附效应和整流效应,来过滤镁合金熔体中的杂质,提高过滤效率。

b、节能隔热材料。可做窑炉内衬,在航天航空行业中可隔热保护航天器材。

c、吸声材料。据研究,其降噪系数接近玻璃棉,具有良好的应用前景。

d、催化剂载体材料。良好的吸附能力,可作为汽车尾气净化器载体广泛应用。

e、食品及医药行业。用于医药行业中酶、疫苗、核酸等生理活性物质的浓缩、分离、精制等,为食品安全做保障。

(3)MgO系微波介质陶瓷

随着移动通信,卫星通信技术的更新迭代,人们对于通信时频段的要求越来越高,使得低介高Q陶瓷成为研究热点。一方面,MgO陶瓷本身具有优越的介电性能(εr=9.1,tanδ<1.6×10-6),是一种理想的5G通讯用微波介质基板材料。

MgTiO3系微波介质陶瓷具有空间群R3的钛铁矿结构,该材料因具有低tanδ、高频率热稳定性而被研究并应用于陶瓷电容器和谐振器。此外,MgTiO3具有应用于滤波器、通信天线、雷达、直接广播卫星和微波频率全球定位系统的潜力。

MgAl2O4呈尖晶石型结构,具有高硬度、高熔点、高强度,且纯MgAl2O4是透明的,可应用于透明装甲、红外窗、雷达罩等领域。不仅如此,MgAl2O4还有低εr的特点,也可用作微波介质陶瓷。采用微波烧结制备的MgAl2O4系陶瓷综合性能优良,可以满足各个领域的使用要求。

(4)MgO陶瓷芯型

氧化镁高温性能好,用氧化镁基陶瓷型芯脚注不锈钢铸件时,即使浇注温度高达1650℃,芯型材料不会与合金发生反应,铸件内部表面光洁度高,并且其属于弱碱性耐火材料,能溶于磷酸和醋酸等有机酸溶液,易于芯性脱除,其不产生热裂缺陷、目前对镁基陶瓷芯型研究较少,具有很大的发展空间。

氧化镁作为添加剂的应用

1、作为氧化铝陶瓷的烧结剂

氧化镁作为常见的烧结助剂,对氧化铝陶瓷有以下影响:

a、添加适量MgO可以降低氧化铝陶瓷的烧结温度,抑制晶粒长大,提高致密度。

b、添加MgO,Mg加快了晶界扩散,对晶粒有一定的细化作用,致密度与力学性能较好。

c、适量的MgO可以抑制晶界的快速移动,使得气孔排出比较完全,陶瓷更加致密,透过率较高。

2、作为高性能陶瓷散热基板的烧结助剂

随着高铁、航空航天及军工领域的大功率电子器件朝着高温、高频和高集成度等方向发展,高效散热成为迫切需求。大功率器件通过陶瓷覆铜板实现与外界的热交换。目前主流的陶瓷基板有Si3N4、AlN和Al2O3三种,都需要采用MgO作为烧结助剂。尤其是对于综合性能较佳的Si3N4陶瓷,为避免Al2O3作为助剂产生的晶格缺陷增加声子散射,MgO成为制备高导热Si3N4陶瓷的首先选烧结助剂,其使用量约为3%。

3、作为ZTA耐磨陶瓷的烧结助剂

Al2O3和ZrO2都具有耐高温、耐磨损和较好的生物相容性等特性。以ZrO2增韧Al2O3制备ZTA纳米复相陶瓷,可扬长避短,充分发挥其集成优势,在航空航天、发动机耐磨部件及人工股骨球头等方面具有重要应用。MgO在ZTA陶瓷中的致密化及晶粒细化机制与其在Al2O3中类似,其使用量约为2%。

4、作为铁电陶瓷添加剂

(1)添加到BaTiO3基陶瓷中

采用均匀沉淀法将MgO均匀地包覆在BaTiO3基陶瓷粉体表面,能有效抑制晶粒长大,从而获得晶粒均匀的陶瓷,此细晶效应是由于晶界区MgO的抑制作用;MgO有助于形成“壳一芯”结构晶粒,降低并展宽BaTiO3基陶瓷的ε峰,增加电阻率和击穿电压强度。

(2)添加到钛酸锶钡陶瓷中

钛酸锶钡(BST)铁电陶瓷材料以它的高可调性和低介电损耗在作为相控阵中的移相器和微波频率下的可调器件有非常好的应用前景。

由于目前的各种铁电材料均存在某些方面的不足,通过各种手段提高其综合性能,成为钛酸锶钡材料实现大规模应用必须解决的关键问题。

除了用稀土元素离子进行A位掺杂取代, MgO、MgTiO3、Mg2SiO4等化合物加入到BST陶瓷和薄膜中也可以降低其介电常数和介电损耗。

5、掺杂在氧化锌线性陶瓷

ZnO线性陶瓷电阻具有电阻率变化范围大,通流密度大,非线性系数低,电阻温度系数小的优点,广泛应用于电力-电子、交通、通信及家用电器等方面。传统的ZnO复合陶瓷仍存在许多问题,如结构均匀性差、工业生产重复率低、稳定性差、理论研究不充分等

MgO的添加有助于改善ZnO陶瓷电阻的阻温系数,适量的MgO可促进烧结,提高陶瓷的致密度,但过量添加反而会使陶瓷致密度下降。


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