莫來石陶瓷是主相為莫來石（3Al₂O₃·2SiO₂）的一類陶瓷的總稱。可簡單分為普通莫來石瓷和高純莫來石瓷兩大類，普通莫來石瓷以鋁硅酸鹽系天然礦物作為主要原料，因原料純度低，雜質(zhì)含量高，其組分除A1₂O₃、SiO₂外，還含有TiO₂、Fe₂O₃、CaO、MgO、Na₂O、K₂O等不確定雜質(zhì)，因而制品中有相當(dāng)數(shù)量的玻璃相，致使其力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)較差，使莫來石陶瓷在高溫下的優(yōu)良性能不能得到充分發(fā)揮。高純莫來石陶瓷采用人工合成的超細(xì)高純莫來石粉末制備而成，它具有膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性極好、荷重軟化點(diǎn)高、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學(xué)腐蝕性好等特點(diǎn)。高性能莫來石在1300℃時抗彎強(qiáng)度可達(dá)570MPa，斷裂韌性KIC達(dá)5.7MPa，均比常溫時高1.6倍，這種隨溫度升高、強(qiáng)度和韌性不僅不衰減反而大幅度提高，是高純莫來石陶瓷作為高溫材料極佳的特性。

更為精細(xì)的原材料讓莫來石突破了其作為普通耐火材料應(yīng)用局限，高溫下強(qiáng)度衰減較小，并且有很好的抗蠕變和抗熱震性能的特性使高純莫來石陶瓷作為一種高溫結(jié)構(gòu)材料也受到越來越多的重視。此外，莫來石陶瓷還在電子封裝材料、汽車領(lǐng)域等有著重要的應(yīng)用。

表：先來看看莫來石陶瓷的物理性質(zhì)

莫來石的應(yīng)用前景

一、莫來石高溫工程材料

莫來石陶瓷的室溫強(qiáng)度較低，限制了其室溫應(yīng)用，但是由于它具有優(yōu)良的抗蠕變和抗熱震性，并且高溫下室溫強(qiáng)度衰減較小，再加上它在氧化環(huán)境下獨(dú)特的熱穩(wěn)定性，因而莫來石陶瓷材料作為獨(dú)特的高溫材料日益引起了人們的重視。

應(yīng)用案例

①我國研制的莫來石陶瓷缸蓋底板在沙漠車上試用成功，初步顯示該材料較好的應(yīng)用前景。德國采用鋁硅酸鹽長纖維增韌的莫來石復(fù)合材料曾在螺旋槳飛機(jī)的排氣裝置上測試使用獲得成功；

②日本的Chichbu水泥公司開發(fā)出了隧道窯中所用的莫來石陶瓷傳送帶，從而取代了不銹鋼傳送帶，這種陶瓷傳送帶由高純莫來石燒結(jié)制得，用于在 1000 ℃以上燒結(jié)制備電子器械用陶瓷元件；

③莫來石陶瓷具有優(yōu)異的抗高溫氣體腐蝕行，被廣泛應(yīng)用于金屬熔融坩堝、高溫防護(hù)管以及熱電偶保護(hù)管等耐熱材料。

莫來石陶瓷法蘭管 高溫保護(hù)爐管

二、電子封裝材料

莫來石的膨脹系數(shù)和介電系數(shù)低，恰好正是微電子工業(yè)中IC（集成電路）技術(shù)和SMT（ 表面貼裝技術(shù)）技術(shù)發(fā)展所要求的。低的介電常數(shù)可導(dǎo)致信號迅速傳遞。在IC基片的信號傳遞中，信號傳遞的時間和相對介電系數(shù)成正比，由于莫來石介電系數(shù)低，使得純莫來石基片傳遞信號速度比常用的氧化鋁基片更快。在吸波材料上增加莫來石陶瓷后，不僅擴(kuò)展了吸波材料的吸收頻帶，同時顯著提高了吸波材料的吸收效率。

此外，莫來石的熱膨脹稍高于硅，但是通過制備莫來石與玻璃以及（或）與低膨脹陶瓷（堇青石或鋰輝石）復(fù)合材料，則可提高匹配性。

應(yīng)用案例：

①日本Yamamar玻璃公司便開發(fā)出了承載半導(dǎo)體器件、感應(yīng)線圈電容及電阻的莫來石玻璃陶瓷，其主要成分是45~50 wt%的Al₂O₃、20~35 wt%的SiO₂和5~20 wt%的MgO。

②日本日立公司采用當(dāng)前工藝已推出了莫來石多層陶瓷封裝材料。

③日本的NGK火花塞公司也開發(fā)了多層莫來石陶瓷，用于電子線路板，可減少信號的傳播損失。

莫來石在電子封裝材料中的應(yīng)用

三、汽車領(lǐng)域

莫來石陶瓷合金復(fù)合材料還可用于剎車片內(nèi)襯，這種材料以Cu-Sn或Cu-Fe合金作為基體，其他種類陶瓷作為分散介質(zhì)。莫來石和或者不超過30 wt%的SiO2作為摩擦劑，石墨或鉛作為潤滑劑。比如通過擠壓和軋波紋的方法可以制備出多孔莫來石基陶瓷材料。由于該材料比聚合物制備的剎車材料具有較好的耐熱性和耐磨性，目前在飛機(jī)和高鐵系統(tǒng)以及汽車剎車片方面已經(jīng)廣泛使用。因為這種材料比由石棉和高聚物制成的傳統(tǒng)剎車材料具有較好的耐熱性和耐久性且污染極少，所以在剎車盤、發(fā)動機(jī)和汽車汽輪機(jī)的高溫燃燒器中得到青睞。

莫來石粉體的制備方法

天然的莫來石礦物比較少，這限制了其應(yīng)用，所以研究者通常采用不同的制備方法來人工合成各種類型的莫來石粉體（圖1）。其制備分為傳統(tǒng)方法及濕化學(xué)法。傳統(tǒng)方法（主要用于工業(yè)界）包括：電溶法、燒結(jié)法、固相反應(yīng)合成法等；濕化學(xué)法（主要用于學(xué)術(shù)界）如：溶膠凝膠法、化學(xué)沉淀法、水熱法等，其具體的制備方法及細(xì)節(jié)如下：

一、固相燒結(jié)法

高溫固相反應(yīng)法是以鋁鹽、硅鹽、以及其他助溶劑為原料，首先在室溫下使原料充分混合均勻，使原料不產(chǎn)生團(tuán)聚，然后再高溫下（1500°C~1800°C）保溫一段時間，經(jīng)過高溫煅燒合成莫來石。

優(yōu)點(diǎn)：操作工藝簡單，工藝參數(shù)很容易控制，并且容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

缺點(diǎn)：粉體原料需要很長的時間混合均勻，且均勻度有限；產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)、粒度分布差異很大。

溶膠-凝膠法制備的莫來石晶須

二、溶膠-凝膠法

此方法是以三價鋁或者硅鹽經(jīng)水解形成溶膠，按照一定的計量數(shù)，并且用氨水來調(diào)節(jié)PH控制溫度在374 °C、壓力21.7 MPa，當(dāng)液相完全消失，只有氣相存在，最后將溶膠干燥所得。

優(yōu)點(diǎn)：前驅(qū)體化學(xué)均勻性好，并且有較高的純度；此外，反應(yīng)過程容易控制，設(shè)備簡單。

缺點(diǎn)：干燥收縮大，工業(yè)化生產(chǎn)難度大，合成周期長。

溶膠-凝膠法制備的莫來石晶須

三、微波合成法

微波又稱超高頻電磁波，此種工藝是將鋁原和硅為原料，在微波爐中以一定的條件，如波長頻率為1m的電磁波，接著進(jìn)行加熱，使之發(fā)生反應(yīng)，從而得到所需產(chǎn)品的一種新技術(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：此技術(shù)能夠在短時間內(nèi)、低溫下合成純度高、粒度細(xì)的陶瓷粉末。

缺點(diǎn)：大規(guī)模生產(chǎn)有一定的困難。

微波合成莫來石

四、氧化物摻雜法

此方法是在鋁源和硅源的原料中添加金屬氧化物，利用在高溫煅燒過程中這些金屬氧化物能夠形成液相的特性，從而起到高溫熔體粘度的作用，從而使的莫來石晶體（晶須）從高溫熔體中析出來。

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，時間周期短，原則性較大。

缺點(diǎn)：產(chǎn)生的液相較多，不利于產(chǎn)品的高溫性能。

氧化物摻雜物合成莫來石

五、熔鹽法

熔融鹽是指以工藝氧化鋁為主要原料，硫酸鹽為熔鹽，通過一定的配方比，然后在球磨機(jī)中快速混料，造粒，選擇粒子，半干壓成型，然后在高溫爐中以一定的溫度和升溫程序進(jìn)行合成莫來石產(chǎn)品。

優(yōu)點(diǎn)：熔融鹽具有不同于水溶液的諸多性，如高溫下的穩(wěn)定性，在較寬溫度范圍內(nèi)的低蒸汽壓，低的粘度，具有良好的導(dǎo)電性，較高的離子遷移和擴(kuò)散速度，高的熱容量，具有溶解各種不同材料的能力等。

缺點(diǎn)：制備晶體時生長速度慢，生長周期長，并且晶體尺寸較小；此外，坩堝和熔鹽對合成晶體有污染；許多熔鹽具有不同程度的毒性，其揮發(fā)物常腐蝕或污染爐體和環(huán)境。

熔鹽法合成莫來石

在工業(yè)界，莫來石粉體制備中主要采用傳統(tǒng)燒結(jié)法，但近年來隨著先進(jìn)設(shè)備和制造業(yè)的發(fā)展，普遍采用化學(xué)法，如溶膠-凝膠法和微波爐合成法，因為這樣得到的粉體更加均勻，顆粒微細(xì)，純度高，燒結(jié)程度好等優(yōu)勢，為新型莫來石陶瓷以及相關(guān)材料的發(fā)展和應(yīng)用開辟了廣闊的前景。

參考來源：

[1] 耐高溫陶瓷--金屬復(fù)合材料制備及性能研究 （華北電力大學(xué)(北京)）

[2] 莫來石晶須的生長機(jī)理研究. （陶瓷學(xué)報）

作者：小陳

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