堇青石(cordierite)是一种常见的宝石，但除了观赏性价值外，用堇青石制备的陶瓷在工业上也有众多应用。由于具有较低的热膨胀系数、良好的化学稳定性、较高的电阻率、较低的介电常数以及近零的频率温度系数等优良特性，堇青石陶瓷被广泛应用于冶金、汽车、催化、化工以及电子等领域，随着半导体行业的发展，堇青石陶瓷在高端制造领域的应用（高端半导体设备用结构件等）也开始崭露头角。

一、堇青石的结构组成

堇青石陶瓷(2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂)理论密度约为2.6 g·cm⁻³，熔点约为1460℃，是一种低热膨胀陶瓷，其晶体存在三种结构形式，分别为α-堇青石、β-堇青石和μ-堇青石。

α-堇青石又称印度石，为高温稳定相，其晶体结构为六方晶系；β-堇青石为低温稳定相，其晶体结构为斜方晶系；μ-堇青石因其结构类似于β-石英，又称β-石英固溶体，属于低温亚稳态。μ-堇青石的生成温度约为915℃，当温度达到1200℃时，μ-堇青石开始转化为β-堇青石，再随着温度升高至1300℃～1400℃时，β-堇青石向α-堇青石开始转化。

堇青石的晶体结构

二、堇青石陶瓷的制备工艺

堇青石是一种天然矿物，然而其在大自然中的储量很小。目前，堇青石主要是通过人工合成的方式获得，传统制备堇青石陶瓷方法为固相烧结法，但烧结温度区间较窄（温度区间约30 ℃）。随着研究的深入，堇青石陶瓷制备的方法由传统的固相烧结法逐步发展出了溶胶—凝胶法、熔融玻璃法、低温燃烧法等制备方法。

几种制备方法的工艺特点如下：

制备方法	工艺	优点	不足
固相烧结法	按堇青石化学式配比称取原料，经过混合、造粒、干压成型，将所得素坯进行高温烧结后获得堇青石陶瓷	生产成本低、操作简易	难以获得高纯度的堇青石陶瓷
溶胶—凝胶法	将原料分散在溶剂中，经过水解—聚合反应后形成溶胶、凝胶，再经过干燥和热处理后制备得到纳米粉体，最后，将所得粉体进行造粒、成型、烧结后获得堇青石陶瓷	粉体粒径细小且分布均匀、反应活性高、烧结温度低	工艺复杂、制备周期长、生产效率低且原料价格昂贵，不适于大规模工业化生产
熔融玻璃法	按堇青石化学式配比称取原料；然后在高温下进行熔融，将熔体进行水淬、球磨得到玻璃粉末；最后，经造粒、成型、烧结制备堇青石陶瓷	原料均化效果好、陶瓷纯度高	能耗巨大导致 生产成本过高
低温燃烧合成法	以硝酸盐为反应氧化剂，加入一定的还原剂，反应原料在低于堇青石陶瓷烧结温度时被点燃，发生剧烈的氧化还原反应，生成堇青石粉体，再经成型、烧结制得堇青石陶瓷。	该法制备堇青石陶瓷粉体具有高效、节能、快速的优点	反应过程剧烈，同时产生大量有害气体，对环境造成危害

 三、堇青石陶瓷的性能调控

随着产业的快速发展，对堇青石陶瓷的热膨胀、微波介电及力学性能提出了更高的要求，这就需要对其结构及相关性能进行调控优化，以满足应用指标要求。目前对堇青石最常用的性能调控手段是掺杂，掺杂的元素种类主要包括碱金属元素、过渡金属元素、稀土元素以及高价金属元素等。

通过掺杂既可以促进堇青石陶瓷的烧结，降低堇青石晶型转变温度，减少其他杂相生成；又可以调控堇青石晶体内部结构，进而对堇青石陶瓷热膨胀系数、微波介电性能产生影响；还可以产生烧结液相，降低堇青石陶瓷烧结温度，进而提高堇青石陶瓷基体强度。

1.热膨胀性能

对于堇青石陶瓷而言，低热膨胀系数是其优势所在，一般堇青石陶瓷的热膨胀系数在1.5×10⁶℃^-1～2.0×10⁶℃^-1(25 ℃～800 ℃)。无论作为催化剂载体、高温窑具，还是用作电子封装材料，都需要具有较好的抗热震性能和低的热膨胀系数。

通过掺杂，可以控制堇青石陶瓷的成分，减少高热膨胀系数的杂相生成，还可以引起晶格畸变，使得堇青石在受热时各向异性的热膨胀可调可控。

堇青石蜂窝陶瓷载体

2.微波介电性能

在微波通信领域，800 MHz～2000 MHz波段的微波介质材料研究已较为成熟，但随着频率升高至12GHz～40GHz，常见的微波介质陶瓷的介电常数较大(ε_r≥20)、品质因数较低，无法满足高频微波介质器件低损耗、高稳定性的需要。堇青石陶瓷除了具有较低的热膨胀系数，同时还具有较低的介电常数(ε_r=6)以及近零的频率温度系数，因而其在微波毫米波通讯系统中的谐振器、滤波器、波导以及基板元件中具有广泛的应用前景。

对微波介电性能调控的方式一般有两种途径：一是添加烧结助剂可以提高材料密度，进而提升品质因数，但这通常伴随着介电常数的上升；二是通过掺杂较大半径元素，使堇青石晶格产生畸变，提高堇青石结构内六元环的对称性，能有效提高品质因数，且对其他性能影响不大。

介质陶瓷谐振器

3.力学性能

在高温窑具、尾气净化器以及熔体过滤器等对抗热震性能要求较高的领域，在除了满足较低的热膨胀系数的同时，还要具有较高的机械强度。然而，堇青石陶瓷的力学性能（抗弯强度约为20 MPa～30 MPa）与=SiC、Si₃N₄等陶瓷相比差距较大，这在一定程度上制约其在这些领域的应用。

目前，改善堇青石陶瓷力学性能有两种途径：一是通过掺杂元素在较低温度下生成液相，进而提高基体的强度；二是加入力学性能较好的第二相，但该法改善堇青石力学性能的同时，可能会带来了热膨胀系数升高的问题。

另外，当掺入少量的网络形成离子(如B³⁺)，生成的液相会进入到陶瓷基体之中，促使基体颗粒重排，在降低烧结温度的同时，也会提高烧结致密度，进而提高其力学强度。

堇青石承烧板窑具

总结

虽然堇青石陶瓷已在冶金、汽车、催化、化工以及电子等领域得到了广泛的应用，但我国在对堇青石陶瓷研究方面起步较晚，在诸多方面与国际水平存在较大差距，这主要表现在粉体制备粒度的控制以及热膨胀系数的调控等方面，对于堇青石陶瓷的研究仍任重道远，特别是对于高端制造领域用堇青石陶瓷的研发亟待突破，国产替代迫在眉睫。

参考来源：

1. 堇青石陶瓷结构及性能研究进展 ，周士杰、王峰、贺智勇、王晓波（钢铁研究总院、中国钢研科技集团有限公司）；

2. 堇青石基微波介质陶瓷的制备及性能研究，彭昶（电子科技大学）；

3. 高性能堇青石陶瓷的制备及影响因素分析，韩桢（吉林大学）；

4. 堇青石陶瓷的研究现状，汪潇、杨留栓、刘祎冉、任刚伟（耐火材料）。

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