管状埃洛石掺杂堇青石陶瓷的制备与性能调控

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0816

摘要/Abstract

摘要：

堇青石陶瓷因具有低热膨胀系数、良好的化学稳定性和较高的力学性能等特点，成为光刻机方镜和激光反射镜的理想材料。为满足相关领域更为严苛的应用需求，需要通过掺杂改性等手段对堇青石陶瓷的热膨胀性能与弹性模量等关键参数进行调控。管状埃洛石凭借独特的管状结构，具备优异的热稳定性和力学性能，展现出作为掺杂剂的良好潜力。本文以管状埃洛石粉为掺杂剂，采用固相烧结制备了管状埃洛石掺杂堇青石陶瓷，研究了管状埃洛石掺杂对堇青石陶瓷物相组成、显微结构、力学性能及热膨胀性能的影响。结果表明，掺杂管状埃洛石能在一定程度上促进堇青石陶瓷的致密化。随着管状埃洛石掺杂质量分数的提高，堇青石陶瓷的密度增加，开口气孔率降低。10.0%管状埃洛石掺杂堇青石陶瓷具有最高的弹性模量，20.0%管状埃洛石掺杂堇青石陶瓷具有最高的硬度。当管状埃洛石掺杂比例为2.5%时，与纯堇青石陶瓷相比，室温（25 ℃）至160 ℃的平均热膨胀系数由1.40×10^-6 K^-1降低至0.65×10^-6 K^-1。

关键词: 堇青石, 管状埃洛石, 掺杂改性, 微观结构, 热膨胀, 力学性能

Abstract:

Cordierite ceramics are ideal materials for lithography square mirrors and laser reflectors due to their low thermal expansion coefficient， excellent chemical stability and high mechanical properties. In order to meet the more stringent application requirements in related fields， it is necessary to modulate the key parameters such as thermal expansion coefficient and elastic modulus by means of doping modification. Tubular halloysite has excellent thermal stability and mechanical properties due to its unique tubular structure， showing its good potential as a dopant. In this paper， cordierite ceramics doped with tubular halloysite were prepared by solid phase sintering with tubular halloysite powder as dopant. The effect of tubular halloysite doping on the composition， microstructure， mechanical properties and thermal expansion properties of cordierite ceramics was studied. The results show that doping tubular halloysite can promote the densification of cordierite ceramics to a certain extent. With the increase of tubular halloysite doping mass fraction， the density of cordierite ceramics increases and the open porosity decreases. The 10.0% tubular halloysite-doped cordierite ceramics have the highest elastic modulus， and the 20.0% tubular halloysite-doped cordierite ceramics have the highest hardness. Compared with pure cordierite ceramics， the average thermal expansion coefficient of cordierite ceramics doped with 2.5% tubular halloysite decreases from 1.40×10^-6 K^-1 to 0.65×10^-6 K^-1 at room temperature （25 ℃） to 160 ℃.

Key words: cordierite, tubular halloysite, doping modification, microstructure, thermal expansion, mechanical property

中图分类号:

TQ174

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图/表 8

图1 工艺流程示意图

Fig.1 Schematic diagram of process flow

图2 不同比例管状埃洛石掺杂堇青石陶瓷样品的密度和开口气孔率

Fig.2 Density and open porosity of cordierite ceramics doped with different proportions of tubular halloysite

图3 原料和不同比例管状埃洛石掺杂堇青石陶瓷样品的XRD谱与局部放大图

Fig.3 XRD patterns and local amplification of raw materials and cordierite ceramics doped with different proportions of tubular halloysite

图4 不同比例管状埃洛石掺杂堇青石陶瓷样品的SEM照片

Fig.4 SEM images of cordierite ceramics doped with different proportions of tubular halloysite

图5 不同比例管状埃洛石掺杂堇青石陶瓷样品的弹性模量和硬度

Fig.5 Elastic modulus and hardness of cordierite ceramics doped with different proportions of tubular halloysite

图6 不同比例管状埃洛石掺杂堇青石陶瓷样品的热膨胀系数

Fig.6 Thermal expansion coefficient of cordierite ceramics doped with different proportions of tubular halloysite

图7 α-堇青石的晶体结构示意图

Fig.7 Crystal structure diagram of α-cordierite

图8 堇青石的八面体扁平化机制［40］

Fig.8 Octahedral flattening mechanism of cordierite［40］

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