在冶金、陶瓷及耐火材料等高溫工業(yè)中，匣缽、棚板、立柱、推板、輥棒和承燒板等窯具材料作為支撐與承載坯體的核心耗材，需長期暴露于極端溫度波動(dòng)（1200–1600°C）、機(jī)械交變載荷及腐蝕或氧化性氣氛的復(fù)雜工況中。這一嚴(yán)苛環(huán)境對(duì)窯具材料的綜合性能提出了多重挑戰(zhàn)：需要滿足抗熱震性、高溫承載能力、耐化學(xué)侵蝕性及長壽命等眾多要求，而莫來石-堇青石復(fù)相陶瓷利用兩種材料的性能互補(bǔ)性，解決了傳統(tǒng)單相陶瓷窯具單一材料局限性的問題，既具有耐高溫、高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在低膨脹系數(shù)、抗熱震性能上表現(xiàn)突出，成為了高檔窯具普遍使用的材料。

堇青石—莫來石窯具外觀（來源：耐火材料產(chǎn)品質(zhì)檢中心）

將莫來石與堇青石復(fù)合的優(yōu)點(diǎn)

莫來石（MA）是Al₂O₃-SiO₂系中唯一穩(wěn)定的二元化合物，化學(xué)式為3Al₂O₃·2SiO₂，其晶體結(jié)構(gòu)是由硅氧四面體和鋁氧四面體沿C軸無序排列組成雙鏈，雙鏈間由鋁氧八面體連接而成，其結(jié)構(gòu)中鋁氧八面體在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起到了骨架支撐作用，因此莫來石具有高機(jī)械強(qiáng)度與硬度（莫氏硬度為6.7），同時(shí)莫來石由于具有較高比例的Al?O?比例，Al-O鍵能高于Si-O鍵，因此其高溫下結(jié)構(gòu)仍舊能夠保持穩(wěn)定，并具備近1900℃的熔點(diǎn)，可承受爐內(nèi)高溫而不發(fā)生熔化、軟化、蠕變，這就避免了由破損帶來的污染，不過，其存在一個(gè)明顯缺點(diǎn)：高熱膨脹系數(shù)（5×10^-6/K）在快速降溫時(shí)易引發(fā)熱應(yīng)力開裂。

莫來石晶體結(jié)構(gòu)（來源：網(wǎng)絡(luò)）

而堇青石化學(xué)組成為 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂，具有α、β、μ等晶型，其中高溫相α-堇青石的基本結(jié)構(gòu)單元是由[SiO₄]四面體和[AlO₄]四面體組成的六元環(huán)。六元環(huán)沿 c 軸同軸排列，且六元環(huán)之間則依靠[AlO₄]四面體和[MgO₆]八面體共棱連接。這種晶型結(jié)構(gòu)，使得堇青石在不同晶軸方向的熱膨脹行為存在顯著差異：溫度升高時(shí)，六元環(huán)內(nèi)氧原子的橫向振動(dòng)會(huì)引發(fā)環(huán)的徑向收縮，使結(jié)構(gòu)中存在較大的空腔可以抵消其他方向的膨脹，因此晶體整體不會(huì)有明顯的膨脹，膨脹系數(shù)通常 <小于2×10^-6°C^-1，可以賦予窯具材料優(yōu)異的抗熱震性能，但由于六元環(huán)間的鍵合由弱離子鍵（如Mg-O）維持，整體鍵能低于共價(jià)鍵主導(dǎo)的陶瓷，因此往往機(jī)械強(qiáng)度較差，同時(shí)堇青石為 MgO-Al?O?-SiO? 三元體系，這三種氧化物反應(yīng)可以形成低共熔相，導(dǎo)致實(shí)際熔融溫度只有約1460°C，導(dǎo)致使用溫度通常在900～1280℃之間，限制了其極高溫度下的使用。

堇青石晶體結(jié)構(gòu)（來源：網(wǎng)絡(luò)）

而將堇青石、莫來石作為主要原料，經(jīng)成型、高溫?zé)Y(jié)后形成復(fù)合材料，既可以利用莫來石的高強(qiáng)度在一定程度上彌補(bǔ)堇青石的力學(xué)短板，同時(shí)莫來石晶粒嵌入堇青石基體中，還可以通過晶界互鎖與裂紋偏轉(zhuǎn)提升材料的斷裂韌性。而在熱性能優(yōu)化上，由于兩種材料的膨脹系數(shù)有較大差別，兩種材料復(fù)合制備使得兩相界面形成微裂紋，可有效降低因溫度急劇變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，進(jìn)而進(jìn)一步提高熱震穩(wěn)定性。

莫來石-堇青石復(fù)合陶瓷存在的缺點(diǎn)及解決措施

莫來石-堇青石復(fù)合陶瓷是以黏土、滑石、莫來石熟料、堇青石熟料等為主要原料，燒成后內(nèi)部成分復(fù)雜，除了含有莫來石相和堇青石相，還包含有剛玉、石英、尖晶石等眾多雜質(zhì)物相，加之通常其氣孔率高、體積密度小，在高溫下作為粘結(jié)相的黏土等易與活性元素（如電池正極材料高溫分解下產(chǎn)生的Li⁺）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不僅容易被腐蝕，縮短匣缽的壽命，并且還可能會(huì)污染產(chǎn)品。此外，盡管復(fù)合材料相較堇青石在力學(xué)性能上有一定提升，但原料在燒成過程中氧化、分解、合成等化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，也會(huì)致使材料內(nèi)部產(chǎn)生一定應(yīng)力，在使用過程中超出強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生破裂。為提高堇青石-莫來石復(fù)合陶瓷在腐蝕環(huán)境下的使用壽命，可采用以下措施：

1、添加尖晶石

堇青石和莫來石均含有氧化硅相，在正極材料的制備過程中，所釋放的Li⁺與堇青石反應(yīng)生成尖晶石，進(jìn)而再生成氧化鎂；莫來石則會(huì)完全被分解，而氧化鎂或鎂鋁尖晶石材料具有較好的抗鋰侵蝕性，因此可在復(fù)合材料中引入氧化鎂或鎂鋁尖晶石降低氧化硅含量，提升其抗鋰侵蝕性。

2、結(jié)構(gòu)復(fù)合

通過在莫來石-堇青石復(fù)合陶瓷內(nèi)引入具有高耐腐蝕性的材料（如氧化鋯等）作為涂層、鑲嵌、隔離等結(jié)構(gòu)，可以減輕或抑制活性元素對(duì)匣缽內(nèi)壁復(fù)合層的侵蝕，實(shí)現(xiàn)匣缽材料壽命大幅度提升，但在長期試用下，含鋰化物仍能滲透并與基體反應(yīng)導(dǎo)致材料的損毀。

3、窯具構(gòu)造優(yōu)化

為了釋放復(fù)合材料燒成時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，可對(duì)窯具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，比如在窯具上切割豎縫、對(duì)交接處作圓滑處理、設(shè)置特殊通道或通孔等。

不同構(gòu)造的窯具（來源：參考文獻(xiàn)2）

參考文獻(xiàn)：

1、李衛(wèi)聊科技，《聊聊光刻機(jī)制造的明星材料——堇青石陶瓷》

2、段雪珂,王新福,劉國齊,等.鋰電池正極材料合成用堇青石-莫來石質(zhì)匣缽研究進(jìn)展[J].耐火材料.

3、高超超,徐艷恒,劉明勇,等.莫來石-堇青石質(zhì)廢窯具制備輕質(zhì)隔熱材料[J].耐火材料.

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