高純氧化鎂粉體及氧化鎂陶瓷制備方法及應用

發布時間 | 2021-11-03 10:14 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 3001

稀土氧化鎂氮化硅氧化鋯氧化鋁

導讀：?高純氧化鎂粉體材料是重要的耐高溫材料，其制備的氧化鎂陶瓷廣泛應用于透光材料領域。透明氧化鎂陶瓷是一種光學各向同性體，具有較好的耐堿金屬蒸氣腐蝕性、高熔點、高導熱性、較小的理論密度...

高純氧化鎂粉體材料是重要的耐高溫材料，其制備的氧化鎂陶瓷廣泛應用于透光材料領域。透明氧化鎂陶瓷是一種光學各向同性體，具有較好的耐堿金屬蒸氣腐蝕性、高熔點、高導熱性、較小的理論密度、高絕緣及高紅外透過性等優點。高品質的耐火透明氧化鎂陶瓷是一種很有前景的材料，其性能優于氧化鋁陶瓷，在可見光及紅外透光材料領域具有廣泛的應用。

圖1 高純MgO粉體（左）、透明MgO陶瓷

一、高純MgO粉體制備方法

高純氧化鎂粉體是指MgO質量分數大于99%（國內一般指MgO 質量分數大于98%），體積密度大于3.40g/cm³的燒結氧化鎂。高純MgO的制備均以含鎂化合物為原料，部分制成輕燒氧化鎂后再經過電熔或重燒制得高純氧化鎂，部分直接煅燒或熱解制得高純氧化鎂。目前主要制備方法有直接煅燒法、鹵水沉淀法、鹵水直接熱解法、電熔法。

名稱	工藝概述	優點	缺點
直接煅燒法	直接煅燒法可分為二步煅燒和一步煅燒。二步煅燒選用優質菱鎂礦，首先在煅燒爐中進行第一步煅燒，溫度控制在1273K左右，生成輕燒氧化鎂，再經過機械粉碎、球磨，在球磨的過程中可以消除“假晶”現象，并且同時盡可能降低氧化鎂粉體的粒徑。	原料來源廣泛，工藝簡單，生產成本低。	由于菱鎂礦中含有的雜質很難分離，一般鎂砂的純度很難達到99% 以上
鹵水沉淀法	采用鹵水或者海水制備高純氧化鎂，首先要獲得輕質氧化鎂。可向海水或鹵水中加入沉淀劑，再經洗滌和化學精制等方法除去雜質離子，以保證獲得的堿式碳酸鎂或氫氧化鎂的純度。	制備的氧化鎂粉體純度可達99.9%以上。	-
鹵水直接熱解法	常溫下氯化鎂以MgCl2 · 6H2O形式存在，當溫度逐漸升高時，MgCl2 · 6H2O開始不斷失去結晶水并隨后伴隨水解，最后生成MgO和HCl氣體。	該工藝原料成本低。工藝路線短而簡單。	工藝過程控制復雜，目前該工藝制備高純氧化鎂的技術在我國還不成熟。
電熔法	將輕質氧化鎂或輕燒鎂粉壓團后放入電熔爐中，插入電極，在大電流、低電壓條件下電熔，所得高純鎂砂純度可達99.9%，密度可達 3.50g/cm3以上。產品質量主要決定于電流電壓的大小以及電熔時間的長短等。	可通過不同工藝制備不同形貌高純氧化鎂粉體材料。	設備投入和資源消耗大。

二、不同高純氧化鎂粉體形貌及控制工藝

1.立方塊狀氧化鎂粉體

立方塊狀高純氧化鎂粉體是通過電熔法制備，粒徑分布均勻，可用于制備透明氧化鎂陶瓷以及電子材料填料等。此外，電熔法還可用來制備單結晶MgO，純度超過99.9%，被廣泛用作新材料薄膜襯底，例如高溫超導膜、MRAM的鐵電膜等。

圖2 立方塊狀氧化鎂粉體SEM

2.球狀氧化鎂粉體

球形氧化鎂的導熱系數可達球形氧化鋁的1.5倍，大大增強了材料設計在熱管理上的靈活度，被稱為接棒球形氧化鋁的“下一代導熱填料”。粉體圈于2021年07月08日針對球形氧化鎂進行了報道，詳見《氧化鎂導熱填料大熱，Denka彰顯粉體球形化技術底蘊》。

圖3 Denka目前推出的兩種球形氧化鎂（60μm和120μm為中位徑）

3.片狀氧化鎂粉體

菱面片狀氧化鎂粉體制備是以低品位白云石為原料，采用鹵水沉淀法，通過二次酸浸、氨水沉淀法制備前驅體氫氧化鎂，經煅燒得到菱面片層狀多空隙結構的納米MgO晶體，該氧化鎂為結晶良好、立方晶系，厚度約10～20nm，最大面積可達1μm2左右的類似菊花狀的二維菱面片層狀空隙結構，廣泛應用于高級陶瓷材料、化妝品、油漆、橡膠填充劑、催化劑載體等領域,在軍事、量子器件、微電子學等領域亦有重要的應用前景和巨大的經濟潛力。

圖4 片狀氧化鎂粉體SEM

三、氧化鎂陶瓷研究進展

目前關于透明氧化鎂陶瓷工藝的研究方向大多集中于熱壓燒結制度的確定。透明陶瓷的燒結方法有很多種，主要有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結、放電等離子燒結等。具體如下：

名稱	工藝過程	優點	缺點
常壓燒結	首先經濕沉淀法合成納米MgO顆粒，經700℃煅燒2h，干壓成型（200MPa）后，在空氣氣氛下，經 1400℃無壓燒結 2h，即得到晶粒大小為 6μm、相對密度為 98.1%、平均硬度 6.8GPa 的半透明陶瓷。此外，在氧化或還原氣氛中燒結陶瓷可以消除由于材料成分揮發產生的空位等缺陷，提高陶瓷的透明性。	常壓燒結成本較低，對設備要求不高，是最為簡單的、目前較為常用的一種燒結方法，在特殊氣體氣氛和大氣條件下的燒結均屬于常壓燒結。	常壓燒結一般需要加入燒結助劑，以促進燒結致密化。
熱壓燒結	目前，熱壓燒結已經成為制備透明陶瓷的重要技術。以粒徑為10nm的納米氧化鎂為原料，在30MPa下單軸冷壓成型后，再在250MPa下冷等靜壓成型。成型后使用熱壓燒結法，在790℃和150MPa 下于空氣氣氛中燒結30min，制備得到相對密度達99.5%的透明氧化鎂陶瓷。	有利于陶瓷中物質傳遞和顆粒間的擴散，因而能降低成型壓力，減少燒結時間，降低燒結溫度，抑制晶粒長大，獲得細晶粒、高致密度、力學和電學性能良好的產品。利用熱壓燒結方法時，不用添加成型助劑或燒結助劑，就能制得高性能的陶瓷產品。	其缺點主要有設備較為復雜、模具材料要求高、生產效率低、能耗大、生產成本高等。
熱等靜壓燒結	以高壓氮氣或惰性氣體作介質，使氧化鎂陶瓷粉體、素坯或預燒結體在高溫（1000～2000℃）、高壓（200MPa）的共同作用下，各向均衡受壓，實現陶瓷材料致密化。該法適合生產形狀復雜制品，廣泛用于制備透明裝甲陶瓷，熱等靜壓燒結法制備的陶瓷樣品具有均勻性好、致密度高、性能優異等特點。該法本身具有工序少、生產周期短、材料損耗小、能耗低等優點	該法具有工序少、生產周期短、材料損耗小、能耗低等優點	缺點是燒結設備昂貴，成本較高，在日常應用中相對較少。
放電等離子燒結	通過瞬時產生的放電等離子使燒結體內部的顆粒均勻地自身放熱，同時使顆粒表面活化，在短時間內使燒結體達到致密的一種快速燒結方法。該法是一種新型的燒結工藝，其原理是在加壓成型過程中，將特定燒結電源施加到通電電極上，從而實現放電活化、熱塑性變形等過程。	放電等離子燒結具有熱壓燒結的特點，同時脈沖電流產生的等離子體使粉末的燒結溫度相對更低。	其缺點主要是所需設備昂貴，且燒結過程易引入雜質。

四、氧化鎂陶瓷應用

1.透明氧化鎂陶瓷

透明氧化鎂陶瓷是一種呈透明狀的MgO陶瓷。屬立方晶系，熔點2800℃。它以高純MgO為原料，添加少量晶粒生長抑制劑，采用熱壓或常壓燒結工藝制成。目前已制備透明氧化鎂陶瓷性能如下：

密度	熱膨脹系數	直線透過率	抗彎強度	特性	用途
3.58g/cm³	13×10^-6/℃	80~85%	134MPa	透明性和紅外透過性好	應用于火箭導彈及宇航器的紅外窗口和銘流罩、光學濾光片和光學檢波器的基料，高壓鈉燈發光管，高溫爐窗口等。

2.氧化鎂微波介質陶瓷

高純氧化鎂具有較大的表面活性和高溫特性且純度高，因此陶瓷濾波器中一般用到氧化鎂來保證濾波器有較好的傳導性，機械強度和耐高溫性。微波介質陶瓷作為一種新型電子材料，隨著5G正式投入商用，全國5G基站也將連片覆蓋，微波介質陶瓷作為濾波器也在5G基站建設中被廣泛應用。高純氧化鎂通常會影響到濾波器的三個參數：相對介電常數、品質因數、諧振頻率溫度系數。

3.制備熔融陶瓷顆粒

高純氧化鎂與氧化鋁一起制備熔融陶瓷顆粒，可廣泛應用于磨具領域。與稀土氧化物一起作為燒結助劑，制備氮化硅陶瓷，可高效、經濟地制造各種復雜形狀的產品，如切削刀具、密封環、軸承、噴嘴及各種耐高溫、耐磨損、耐腐蝕制品等。

4.制備氧化鎂陶瓷型芯

制成的氧化鎂陶瓷型芯使用溫度不低于1600℃，高溫條件下不與澆注金屬反應，鑄件表面光滑，彌補了使用硅基型芯澆鑄此類材料時，鑄件內孔會產生大量氣孔和粘砂等缺陷;溶失性優良，能很好的溶解于弱酸中，脫芯時間短，脫芯設備簡單，脫芯工藝無污染、安全可靠，降低了精密鑄造成本;澆注空心薄壁鑄件不發生熱裂;型芯尺寸精度高;有足夠的強度，在造型、搬運和裝爐時不變形、不破碎。