石英陶瓷是利用特殊加工手段生產(chǎn)工藝制作的非晶態(tài)二氧化硅的燒結(jié)體，具有優(yōu)良的抗熱沖擊性。另外，石英陶瓷坯體收縮低于6％，容易制成尺寸準(zhǔn)確的制品，是具有良好開發(fā)利用前景的耐熱陶瓷材料。如果單純以石英玻璃廢料或熔融石英為原料，依照傳統(tǒng)工藝不能制成致密的陶瓷燒結(jié)體，即吸水率低于2％的石英陶瓷。大尺寸方形石英陶瓷坩堝是太陽能電池用多晶硅鑄錠生產(chǎn)用的主要消耗材料，由于使用條件極其苛刻，對(duì)坩堝的純度、強(qiáng)度、外觀缺陷、內(nèi)在質(zhì)量、高溫性能、熱振穩(wěn)定性、尺寸精度都有極其嚴(yán)格的要求。國際上唯一掌握石英陶瓷注漿成型和注凝成型技術(shù)的廠家是美國的一家公司，因此國內(nèi)僅有的幾家擁有多晶硅鑄錠爐的廠家都依賴進(jìn)口，單只坩堝價(jià)格高達(dá)700美元以上，年產(chǎn)量10MW硅片生產(chǎn)廠采用四臺(tái)240kg鑄錠爐需消耗668只石英陶瓷坩堝計(jì)算。按現(xiàn)有國內(nèi)產(chǎn)能測算，需進(jìn)口坩堝數(shù)量達(dá)6800多只，擴(kuò)能后總需求量可達(dá)15000多只。許多廠家正在研究一種能使石英陶瓷坩堝結(jié)構(gòu)致密均勻，整體均勻性能好，制品熱穩(wěn)定性好及鑄錠過程中坩堝的抗熱炸裂能力的坩堝燒結(jié)工藝。以下介紹一種石英陶瓷生產(chǎn)工藝。
石英陶瓷產(chǎn)品主要使用的原料為熔融石英碎塊，其化學(xué)組成為：SiO2 98.25％；Al2O3 0.15％；FeO3 0.13％ 游離碳0.21％；灼減 0.17％。選用的添加物原料為工業(yè)礦物或化學(xué)試劑，如：硼鎂石、硅硼鈣石、菱美礦、碳酸鋰、工業(yè)氧化鋁等。將熔融石英原料粉碎至全部通過100目篩，然后用200目篩進(jìn)行篩分，篩下物為細(xì)磨時(shí)的頭料，篩上物為二料。
放入球磨內(nèi)細(xì)碎，球磨為橡膠內(nèi)襯，以瑪瑙球?yàn)檠心ンw。達(dá)到細(xì)度要求的泥漿，用石膏模型，注漿成型，脫模后干燥坯體。浸漬的坯體在1100℃左右焙燒，形成較高的強(qiáng)度，浸漬液為泥漿靜置24小時(shí)后的上層膠溶體。配方中引入的添加物為不影響泥漿成型的性能，需將添加物各原料混磨后，經(jīng)980-1000℃高溫合成。燒結(jié)體壓碎后與頭料一起細(xì)磨。燒成要制訂嚴(yán)格的升溫曲線，燒成溫度為1200℃，止火時(shí)保溫重5分鐘。
原料細(xì)磨時(shí)，加料方式對(duì)注漿生坯密度及燒結(jié)的影響。實(shí)驗(yàn)證明，石英陶瓷的燒結(jié)機(jī)理主要是固相的表面擴(kuò)散與坯體擴(kuò)散，因此，提高坯體的密度和增加細(xì)顆粒比例有利于石英陶瓷的致密化。原料細(xì)碎采用二次加料方式有利于提高生坯密度和坯體燒結(jié)。這是因?yàn)橐淮渭恿蠒r(shí)大部分顆粒為中間顆粒，二次加料時(shí)中間尺寸顆粒含量較少，于是注漿成型過程中可產(chǎn)生較密聚的堆積，有較高的生坯密度。生坯密度大，顆粒間的接觸面積就大，為燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散提供了有利條件。同時(shí)，適當(dāng)延長球磨時(shí)間，增加坯體中顆粒的比表面積，也可以促進(jìn)坯體的致密燒結(jié)。但球磨時(shí)間過長，可能改變?cè)虾侠淼念w粒分布，生坯密度反而降低，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控。
浸漬對(duì)石英陶瓷致密化的影響。浸漬液為二氧化硅的膠體溶液，主要由細(xì)小的熔融石英粒子和硅酸溶膠組成。因膠體溶液稠度較高，可加入電解質(zhì)改善其流動(dòng)性和滲透能力。浸漬分別在常壓和真空中進(jìn)行。常壓下浸漬時(shí)，由于坯體孔隙內(nèi)氣體阻礙，浸漬液很難滲透整個(gè)坯體，燒成后坯體表面的致密程度往往要比中心部位高。而在真空中浸漬，坯體內(nèi)氣體被排除，浸漬效果充分均勻，有效地提高了坯體的密度。坯體’浸漬后，化學(xué)組成沒有變化，浸漬前后坯體的燒成收縮基本一致。浸漬作用明顯地提高了坯體的密度和石英陶瓷的致密程度，而且不會(huì)影響石英陶瓷固有的良好熱穩(wěn)定性。
添加物對(duì)石英陶瓷致密化的影響。石英陶瓷致密燒結(jié)所需添加物應(yīng)具備以下兩個(gè)條件：(1)石英陶瓷的最高燒成溫度應(yīng)為：1200℃，提高燒成溫度時(shí)有明顯的方石英化，要求添加物有盡可能低的熔融溫度。(2)為保持石英陶瓷的性能，要求添加物形成的玻璃相有非常低的與無定形二氧化硅相匹配的熱膨脹系數(shù)。實(shí)驗(yàn)選擇的兩種添加物的配料組成范圍是：
Li2O-Al2O3-SiO2三元物系添加物，簡稱L添加物，其組成范圍：Li2O：8～12 Al2O3：12～18 SiO2：70～80。
MeO-Al2O3-B2O3-SiO2四元物系添加物，簡稱M添加物，其組成范圍：
堿土金屬氧化物(MgO、CaO、BaO等)：15～20 Al203)：8～12 B2O3：30～36 SiO2：40～55。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論是M添加物，還是L添加物，加入量在5～7.5％時(shí)，均可以在1200℃燒成溫度中得到相對(duì)密度95％以上的致密燒結(jié)體。通過有、無添加物兩種坯體在燒結(jié)過程的變化，可以了解到石英陶瓷致密燒結(jié)的機(jī)理。燒成溫度在800℃以前，有添加物的石英陶瓷坯體沒有燒結(jié)跡象。超過800℃時(shí)，添加物開始熔融，形成的液相玻璃充填在固相粒子之間，通過潤濕和毛細(xì)血管力的作用，促使固態(tài)粒子緊密*攏。當(dāng)溫度在80-1100℃之間時(shí)，液相量逐漸增加，燒成收縮亦不斷增大。燒成溫度在重100Pdl200℃時(shí)，不僅液相玻璃與固相粒子間發(fā)生反應(yīng)，固相粒子的溶解使液相量有所增加，而且固態(tài)粒子間的物質(zhì)擴(kuò)散也很活躍，在這兩種燒結(jié)機(jī)理共同作用下，坯體進(jìn)一步致密化。在1200℃燒成溫度下，有添加物坯體的吸水率只有0.2-0.3％，而燒成收縮在9％左右。
無添加物坯體在1100℃溫度之前，無明顯燒結(jié)，坯體尺寸和氣孔率幾乎不變。溫度在1100℃以上時(shí)，固相粒子間由于擴(kuò)散作用而引起的致密化過程才活躍起來。由于無液相出現(xiàn)，所以在1200℃的燒成溫度下，坯體的燒成收縮很小，開口氣孔率仍很大，燒結(jié)體的吸水率達(dá)2％以上，即還未能達(dá)到完全燒結(jié)。
石英陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度與致密燒結(jié)程度成正比。有添加物的坯體可以得到致密燒結(jié)體，機(jī)械強(qiáng)度普遍高于無添加物的石英陶瓷。而熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明，盡管有添加物的石英陶瓷機(jī)械強(qiáng)度提高，但熱穩(wěn)定性有所下降，有添加物石英陶瓷的耐急冷急熱的溫度不超過800℃。
這是因?yàn)榕黧w中存在熱膨脹系數(shù)與無定形二氧化硅的熱膨脹系數(shù)相差較大的異相玻璃。另外，有添加物的石英陶瓷結(jié)構(gòu)中，氣孔率大大下降，不利于受熱沖擊而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的緩沖與吸收，也是熱穩(wěn)定性下降的輔助原因。
但無論如何，M添加物和L添加物石英陶瓷的抗熱沖擊性能比普通的日用強(qiáng)化瓷的抗熱沖擊能力高許多，不失為一種良好的耐熱陶瓷材料。
