中国粉体网讯 堇青石材料热膨胀系数低（1.5×10-6℃-1(25~1000 ℃)），热震稳定性好，但机械强度较低，熔点低（1460℃分解），使用温度在900～1280℃之间。莫来石材料机械强度高，熔点高，化学性质稳定，其缺点是热膨胀系数高(5×10-6℃-1，200～1000℃)。
虽然二者在膨胀系数、机械强度等方面显得有些“唱反调”，但是，将这两种材料结合制备出的复合材料反而会很受欢迎。
其具体优点有：
（1）可以看出两种材料的膨胀系数有较大差别，两种材料复合制备使得两相界面形成微裂纹，可有效降低因温度急剧变化产生的热应力，进而提高热震稳定性；
（2）容重轻，吸热量少，而且可制成空心、薄壁窑具，使制品和窑具的重量比提高，有利于节省燃料；
（3）体积稳定性好，在烧成过程中不再膨胀或收缩；
（4）使用寿命长。
堇青石-莫来石材料的应用前景
窑具
（1）普通陶瓷烧成用窑具
在日用陶瓷、艺术陶瓷和工业陶瓷等普通陶瓷行业中，陶瓷窑炉主要是在氧化气氛下工作，采用快速烧成技术进行烧结，烧成周期短，窑具的载荷不大，但是经受热冷交替比较频繁。因此，这就要求窑具要有优良的抗热震性与抗氧化性。堇青石-莫来石窑具兼具莫来石的强度高、堇青石的抗热震性好等优点，并且较之碳化硅窑具，又有更好的抗氧化性，因此广泛应用于普通陶瓷行业。
（2）电子陶瓷烧成用窑具
和普通陶瓷相比，电子陶瓷烧成用窑具的选用，除了要考虑耐火度、抗热震性和机械强度等方面外，还应注意窑具的化学惰性，要防止窑具与所烧产品发生化学反应，影响窑具寿命与产品性能。堇青石-莫来石质窑具具备优良的抗热震性能与机械强度，并且根据其化学性质，适合应用于铁氧体、电阻器等电子陶瓷的烧成。
堇青石莫来石推板，图源：湖北华联
（3）锂电池正极材料烧成用窑具
制备锂电池正极材料所用原材料主要是碳酸锂和锰、钴、镍的氧化物，在烧结时有很强的碱性，因此除了要求窑具有足够的强度和抗热震性外，还必须具有良好的抗碱侵蚀能力。在堇青石-莫来石质窑具中加入镁铝尖晶石可以提高窑具的抗碱侵蚀性能，该材质的窑具已在锂电池正极材料烧成中得到应用。随着锂电池需求量的增加，该类窑具的需求量也日益增大，提高窑具性能的研究备受关注。
电子封装材料
堇青石介电常数低，电阻率高，高温性质和化学性质稳定，热膨胀系数极低，这就使得堇青石质基板有可能取代常用的Al2O3基板材料。但是，堇青石过低的热膨胀系数对承载微电路的硅片不利，而加入烧结助剂又会降低其热性能和电性能。莫来石机械强度高，热膨胀系数和介电常数比Al2O3低，同样作为Al2O3的替代材料得到了广泛的研究。堇青石-莫来石的复合材料的热膨胀系数可以通过改变两者的比例进行“裁剪”，使其热膨胀系数比堇青石材料高，与硅片匹配良好，防止其剥离。
太阳能热发电材料
塔式太阳能热发电系统所需的管道材料要求承受温度不低于1000℃，并且要有良好的高温稳定性、抗热震性以及低的热膨胀系数。堇青石-莫来石材料具备的优良的抗热震性和较好的高温性质使其成为一种有前景的太阳能热发电输热及蓄热候选材料。
堇青石－莫来石质匣钵材料的制备
高温固相法
高温固相法是合成堇青石-莫来石材料最常用的方法，采用天然矿物或者高纯原料在高温下发生固相反应或烧结，得到所需要的产品。其优势是操作简单，产量大，并且成本较低，应用范围广泛。
在天然矿物高温固相合成方面，Khalil等以滑石、高岭石和氧化铝为原料原位反应生成堇青石-莫来石材料，并研究了其微观结构。结果表明：在1400℃时，原料几乎全部生成堇青石和莫来石相；温度提高到1500℃，堇青石转化为莫来石和熔融相，制备的材料具有良好的抗热震性，热震循环在30次以上。
在高纯原料高温固相合成方面，Grohol等以MgO，Al2O3和石英为反应物，在SiF4气氛下，1100℃时原位生成针状莫来石，之后部分莫来石在1400℃原位转化为堇青石，制得堇青石-莫来石材料。
堇青石莫来石匣钵，图源：湖北华联
湿化学法
湿化学法主要有溶胶-凝胶法和溶液燃烧法。
溶胶-凝胶法是利用金属醇盐或复合溶胶作为前驱体，在温度较低的条件下合成纯度高、粒度小、活性高和均一性好的无机粉体，并能显著降低材料的烧结温度。
溶液燃烧法是一种制备无机材料的新工艺，选择合适的燃料和无机金属盐混合，在一定条件下发生燃烧放热反应，无需外界加热即可生成无机材料。溶液燃烧法制备无机材料反应周期短、操作简便，制得的无机粉体种类繁多，且性质良好。
锂电池正极材料合成用堇青石－莫来石匣钵的改进
堇青石－莫来石质是当前最火的匣钵材料之一，传统工艺制备的堇青石－莫来石质匣钵具有诸多缺点。首先，传统的堇青石－莫来石质匣钵的气孔率高、体积密度小，内部杂质成分高，在高温下易与锂电池中的活性元素发生化学反应从而缩短匣钵的寿命并且容易被腐蚀，腐蚀造成匣钵的剥落掉入正极材料中去，影响电池质量；其次，机压成型过程中为了保证成型性能，一般均会加入黏土等低耐火性结合剂，在高温下，这些结合剂极易与锂离子电池中的锂元素发生化学反应影响匣钵的使用寿命。上述因素最终导致匣钵抗侵蚀性不强、寿命短、抗热震性差且多次使用容易污染电池原料。
为提高作为正极材料合成用的堇青石－莫来石匣钵的使用寿命，生产技术人员会针对匣钵的材质和性能方面进行以下３个方面的改进试验。
引入尖晶石
镁铝尖晶石对钴酸锂材料具有良好的抗侵蚀性能，堇青石与正极材料反应生成尖晶石，进而再生成氧化镁。莫来石与正极材料反应，莫来石完全分解。发明专利CN200910146662.9也描述了不同材料与正极材料（氧化钴与碳酸锂2：1质量比混合）的反应，发现氧化镁不反应，部分尖晶石与正极材料反应生成含铝酸锂和氧化镁。
因此，氧化镁或镁铝尖晶石材料的加入可提高抗锂侵蚀性，同时材料中应尽可能减少氧化硅的含量。
结构复合
匣钵作为窑具材料必须具有优异的抗热震性以及一定的机械强度，同时作为正极材料的反应器皿，还要具有抗正极材料侵蚀的作用，因此采用结构复合的理论来实现匣钵材料寿命大幅度提升，可能的途径是涂层、结构镶嵌、隔离等。
构造优化
郝建芝认为匣钵在使用中，由于匣钵内原料在烧成过程中氧化、分解、合成等化学反应的发生，致使匣钵内产生一定压力，当超出匣钵强度极限时，匣钵就会破裂，因此通过匣钵割一条竖缝，消除应力，可以大幅度提高使用寿命。
不同结构的匣钵
小结
近年来，堇青石-莫来石材料的制备工艺得到了一定的发展，其应用范围也会逐渐从基础产业到锂电等高新技术产业扩展。其市场容量急剧扩大的同时，升级开发更高性能的堇青石-莫来石材料也是一项紧迫的事情。例如，随着国内外正极材料发展出现的新变化，并对匣钵提出了新的要求，特别是当承烧的正极材料不同时，温度、气氛也不尽相同，对具有优异的抗热震性和抗侵蚀性能的匣钵需求量不断增加，将促使国内外匣体生产技术人员对其进行新的系列研究。
参考来源：
[1]贾江议等.国内外陶瓷窑具材料的发展现状
[2]段雪珂等.锂电池正极材料合成用堇青石-莫来石质匣钵研究进展
[3]陈宁等.堇青石-莫来石材料的研究进展及应用前景
（中国粉体网编辑整理/山川）
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