堇青石陶瓷是常見的低熱膨脹陶瓷之一，國外研究人員于100多年前便開始了對堇青石的研發工作，并于19世紀80年代首次合成，被命名為堇青石（Cordierite）。

圖 低熱膨脹堇青石鏡，來源：京瓷

一、堇青石陶瓷的結構性能

堇青石陶瓷，化學式為2MgO·2Al2O3·5SiO2，理論密度約為2.6g·cm-3，熔點約為1460℃，具有較低的熱膨脹系數(25℃~800℃為1.5x10-6℃-1~2x10-6℃-1)，良好的化學穩定性、較高的電阻率(>1012Ω·cm)、較低的介電常數(εr=6)以及近零的頻率溫度系數(τf=-32x10-6℃-1)等優良特性。其晶體存在三種結構形式，分別為α-堇青石、β-堇青石以及γ型（或μ型）堇青石。其中以α-堇青石最為常用。

圖 ?MgO-SiO2-Al2O3系統相圖

α-堇青石又稱印度石，為高溫穩定相，其晶體結構為六方晶系，是由[SiO4]四面體和[AlO4]四面體組成的六元環。六元環沿c軸同軸排列，相鄰兩層的六元環之間互相錯開30°角。六元環之間靠[AlO4]四面體和[MgO6]八面體共棱連接，構成穩定的堇青石結構。

圖 β-堇青石(a)和α-堇青石(b)的晶體結構

β-堇青石為低溫穩定相，其晶體結構為斜方晶系，在α-堇青石中，Al和Si組成的四面體無序排列組成[(Al2Si4)O18]六元環，而在β-堇青石中，組成六元環的[SiO4]四面體和[AlO4]四面體有序排列。

μ-堇青石因其結構類似于β-堇青石又稱β-石英固溶體，屬于低溫亞穩態。μ-堇青石的生成溫度約為915℃，當溫度達到1200℃時μ-堇青石開始轉化為β-堇青石，再隨著溫度升高至1300℃~1400℃時，β-堇青石向α-堇青石開始轉化。

二、堇青石陶瓷的制備方法

堇青石是一種天然礦物，然而其在大自然中的儲量很小。目前，堇青石主要是通過人工合成的方式獲得，傳統制備堇青石陶瓷方法為固相燒結法，隨著研究的深入，堇青石陶瓷制備的方法由傳統的固相燒結法逐步發展出了溶膠-凝膠法、熔融玻璃法、低溫燃燒法等制備方法。

1、固相燒結法

固相燒結法是制備堇青石陶瓷最常用的方法，按堇青石化學式配比稱取原料，經過混合造粒、干壓成型，將所得素坯進行高溫燒結后得到堇青石陶瓷。該法生產成本低、操作簡易，但難以獲得高純度的堇青石陶瓷。

2、溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法主要用于堇青石粉體的制備。該法是將原料分散在溶劑中，經過水解一聚合反應后形成溶膠、凝膠，再經過干燥和熱處理后制備得到納米粉體，最后，將所得粉體進行造粒、成型、燒結后獲得堇青石陶瓷。

采用溶膠-凝膠法制備的粉體粒徑細小且分布均勻、反應活性高、燒結溫度低。但該法工藝復雜、制備周期長、生產效率低且原料價格昂貴，不適于大規模工業化生產。

3、熔融玻璃法

熔融玻璃法先按堇青石化學式配比稱取原料，然后，在高溫下進行熔融，將熔體進行水淬、球磨得到玻璃粉末，最后，經造粒、成型、燒結制備堇青石陶瓷。采用該法可以獲得原料均化效果好、純度高的堇青石陶瓷，但其能耗巨大導致生產成本過高。

4、低溫燃燒法

低溫燃燒合成法(LCS)是基于“自蔓延高溫合成”(SHS)技術演變而來的能夠快速制備陶瓷氧化物的新型制備技術。目前，已有報道成功使用LCS的方法低溫合成堇青石陶瓷。在制備堇青石陶瓷的過程中，以 Mg(NO3)2、AI(NO3)3、NH4NO3等硝酸鹽為反應氧化劑，以 CO(NH2)2、檸檬酸、氨基乙酸等有機物為反應還原劑。反應原料在低于堇青石陶瓷燒結溫度時被點燃，發生劇烈的氧化還原反應，生成堇青石粉體，再經成型、燒結制得堇青石陶瓷。該法制備堇青石陶瓷粉體具有高效、節能、快速的優點，但反應過程劇烈，同時產生大量有害氣體，對環境造成危害。

三、堇青石陶瓷的應用領域

1、光刻機方鏡

超精密工件臺作為光刻機的核心單元之一，其運動精度會直接影響光刻機的分辨率。方鏡作為工件臺的核心部件，為工件臺的精度及光刻效率提供保證。方鏡在運行過程中所受的熱載荷會受工作空間中熱流的影響而不斷變化，要求其形變量隨溫度變化盡可能小，同時還要應對其在更高加速度與速度下運行時所帶來的失真校正。因此，為滿足光刻精度要求，方鏡材料在工作溫度下熱膨脹系數要實現近零膨脹，同時也要具有較好的力學性能。堇青石陶瓷由于具有熱膨脹系數較低、力學性能優良及密度低等優點，是理想的光刻機方鏡材料。ASML公司已實現堇青石陶瓷在光刻機移動平臺部件中的成熟應用及推廣。

2、光通信用光學鏡

堇青石具有低熱膨脹、高機械強度和高剛性、長期尺寸穩定性、耐輻射性的特點，可應用于太空光通信。索尼CSL已采用京瓷堇青石陶瓷鏡用于小型近地軌道安全激光通信終端。

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3、耐火材料

堇青石陶瓷由于具有較低的熱膨脹系數，常用作陶瓷封裝材料以及窯爐使用過程中的窯具。同時，堇青石陶瓷具有密度低、熱導性低和高溫穩定性好等特點，也可應用在溫度變化快的熱交換器件上，如耐熱鍋。在堇青石晶體的六元環中間及上下相鄰六元環中間存在大量的空隙，這種疏松的晶體結構使其具備極低的熱膨脹系數，在鑄造過程中可作為消失模耐火涂層，提高了鑄造件的精度。

4、催化劑載體

堇青石晶體結構疏松、熱膨脹系數低，可將其制成多孔堇青石催化劑載體。催化劑載體材料服役環境復雜，對材料性能要求較高。特別是汽車尾氣處理用的整體式催化劑，在發動機運行過程中，由于熱沖擊的作用，廢氣的溫度在數秒鐘內上升至約700℃。當發動機停止時，溫度迅速降低至環境溫度。良好的汽車尾氣整體式催化劑需要反復此過程數千次，并且載體需支撐催化劑并保證機械強度。堇青石陶瓷還具有良好的抗熱震性能、抗熱沖擊性能、化學穩定性及一定的機械強度，在水污染處理中也具有廣泛的應用。

圖 堇青石蜂窩陶瓷載體，來源：無錫中科凱瑞

5、微波通訊介質材料

堇青石陶瓷具有低介電常數、近零的頻率溫度系數，是一種理想的低介電高頻微波介質陶瓷，被應用于電子封裝介質諧振天線、微波器件基板、高端微波元件等器件的制備。

1.《堇青石陶瓷結構及性能研究進展》，周士杰,等.

2.《堇青石材料在光刻機領域的應用進展》，張叢,等.

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原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：一文了解堇青石陶瓷性能及應用