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人工合成
金云
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人工合成金云母,人工合成,金云
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西安工业大学北方信息工程学院 毕业设计（论文）中期报告 题目： 人工合成金云母 系 别 机电信息系 专 业 高分子材料与工程 班 级 姓 名 咸贵慧 学 号 导 师 陈山川 张伟 2014 年 3 月 15 日 1 设 计（论文）进展状况 云母是层状硅酸盐矿物的总称，具有绝缘、透明、耐热、耐腐蚀、易分剥并富有弹性等特性，广泛用于电机、电器、电子、无线电和家用电器等领域，在国民经济和国防建设中起着重要作用。最常见的天然云母有白云母、金云母、锂云母、绢云母、黑云母等。目前工业上大量应用的主要是白云母 ，其次是金云母 。在这两类云母中 ， 白云母电性能较好 ， 金云母耐热性能较高。从它们的化学式中可以看出，这两类云母结构中都含有羟基 (，随着使用温度的 升高 ,都会由于羟基失掉而使结构遭到破坏，失去云母的性能。一般在 50左右白云母的羟基就会逐渐失掉 ， 优质的金云母耐热也不会超过 800 ，所以天然云母的使用范围受到很大限制。而且，天然云母杂质多，含矿率低，难以加工和分级，影响云母优良性能，并且天然云母多产于边远山区，开采条件差，交通不便，优质大片云母数量很少，出产量不足以供应市场，导致生产成本增高。 因此人工合成云母显得尤为重要。 合成云母和天然云母一样，属于层状硅酸盐材料，是按照天然云母的组份配料，根据云母晶体生长规律生长出来的一类云母。其中最具有工业价值的是 用（ F） 取代金云母中的 ( 形成的氟金云母（ 2），它较容易生成大的晶体，有很高的实用价值。所以，通常所说的合成云母就是指氟金云母。 成方法概述 氟金云母是一种多组份晶体，属于难于生长的晶体材料之一。它的化学式是（ 2），将适当组份的化工或矿物原料混合成炉料在常压下经高温熔融、冷却后便可得到氟金云母的晶体。目前比较成熟并且已普遍采用的方法是内热法和坩埚下降法（也称晶种生长法）。 （ 1）电阻内热高温炉制法析晶是目前工业生产的主 要方法。它与其它方法相比较，具有以下突出优点： 电能消耗少，成本低；据美国矿业局电工实验室提供的资料，电能消耗为1kWh/我国大规模工业生产的电能消耗为 h/ 熔体全部被未熔化的配料所包围，不需要坩埚，设备简单。 熔化量大，工业生产上的熔化量每炉次可达 10t 以上。 熔化过程氟化物的挥发量小，保证晶化剂在整个析晶过程中处于饱和状态，有利于晶体的形成和生长。 晶体收率大，据美国工业生产上的经验，每炉产品的结晶率可达 95%以上。但是用这种方法不能使晶体定向生长和缓慢降温，因此生成的晶体一般不大。 电阻内热熔融法生产合成云母的基本过程是，将按配方计量过的各组分混合装入用耐火砖砌筑的高温炉中，由车台牵引到加热炉位，接通电源加热。由于合成云母所 使用的原料在常温下都不导电，是电的绝缘体，完全依靠 “电极 电极 ”形成回路后的电阻焦耳热将混合粉体局部加热到熔点。只有达到熔点的熔体才具有导电性，形成 “电极 电极 ”回路，在炉内通过对流、传导和辐射等传热方式，形成具有一定温度场的高温环境，直至使全部原料融化。 （ 2）坩埚下降晶种法是以内热法剥离后剩余的碎晶片为原料，放人铂坩埚，在大型硅铂棒加热炉内熔融。坩埚内装有晶种，晶体在给定温度下，沿晶种方向定向生长。这种方法的优点是云母晶体定向生长，可以获得书板状大晶体。这种方法的缺点是耗电量大，生产周期长， 需使用铂坩埚，因此生产成本高，产量受到限制。 坩埚下降晶种法生产合成云母的基本过程是，将配制好的原始混合组分经计算后装入 坩埚 ,一般不要装的太满，以不超过坩埚体积的 3/4 为宜，装好后密封或加盖。缓慢升入保持在一定温度的晶体生长炉内，坩埚上部装有原料的部位置于炉内高温区熔化，同时亦使晶种上端局部熔融，下端则以原状保持在低温区，然后缓慢下降坩埚，熔体在固液界面上即可按晶种的方向定向生长，最后形成充满坩埚的书本状大面积氟金云母单晶块。在坩埚下降过程，炉温保持固定，并要求较高的稳定度，温度波动保持在 1 以内。为使原 料充分熔化，通常炉内的最高温度区为 1450 ,并在高温区保温 4 小时。 成方法发展状况 （ 1） 早在 1963 年， 中国科学院硅酸盐化学与工学研究所的 谭月罴 、 何崇藩 院士，采用内热法， 选用滑石、氧化铝、氧化镁、氟硅酸钾和碳酸钾等五种原料，在理论基础上进行了 20 公斤熔量规模的合成氟金云母实验。滑石为工业用滑石粉，氧化铝和氧化镁亦均为工业原料，氟硅酸钾和碳酸钾为三级化学试剂。滑石和氧化镁在配料前经焙烧脱水处理。配料组成尽量采取接近于氟金云母按其分子式 2计算的化学组成。 接近氟金云 母理论组 成 2 的熔体最易析出良好的晶体。 其采用的原料及配料的化学分析数据示于表 1。 表 1 原料的化学分析和配料的化学组成 组分 成分 2O 石 硅酸钾 氧化铝 化镁 酸钾 其采用内热法制得的合成云母晶体 ， 如图 ： （ 2） 人工晶体研究院科研中心主任王国方与中材高新材料股份有限公司的欧阳胜林，在 2007 年，采用坩埚下降法（晶种生长法），选用的原料有生料及熟料两种，并以生、熟料混合使用。生料与熟料的混合率为 3:7。 生料 使用海城产的滑石和氧化铝、氧化镁、氟硅酸钾及碳酸钾等化学试剂配成。 熟料 以内热法或在煤气炉内大坩埚大批熔制成的云母晶体块捣碎，再用盐 酸与氟硼酸的混合液处理 ,除去玻璃相及杂质矿物 ,经水洗干燥后使用。 其采用的各种原料的化学组成如表 2 所示。 表 2 原料的化学分析和配料的化学组成 组分成分 2O 石 化铝 氧化镁 碳酸钾 氟硅酸钾 采用坩埚下降法制得的合成云母晶体，如图： 成氟金云母的特性 氟金云母的微观结构和天然金云母很相近，不同是八面体中的 (O H)一 位置被 (F)一取代了，因此氟金云母具有许多新特性。 耐高温。氟金云母耐热性能远远超过天然白云母和金云母是一种良好的耐高温材料。研究表明 1200 以上氟金云母的微观结构才开始变异，开始失去 F 一 ，宏观上出现失去透明现象，性能发生变化。因此，氟金云母长期使用温 度应在 1100左右。 绝缘性能好。氟金云母晶体成分纯，是一种 良好的绝缘材料。铁一类有害杂质含量甚微，电绝缘性能可以和优质夭然白云母媲美。多次试验证明，内热法合成的氟金云母晶体击穿强度 1 80 KV/积电阻系数 1 5 面 电 阻 1 012，介电常数在 右。 透光性好。有弹性氟金云母晶片是清澈透明的晶体，可见光穿透性能很好，可以用作窗口材 料，高压锅炉水位计选用晶种法生长的大晶体代替优质天然云母可大大延长使用寿命。晶片还可以透过红外线微波及 X 射线，广泛用作微波窗口材料。 其它特性。高频介电损耗低，化学性能稳定耐强酸强碱腐蚀，具有止焊性真空放气极低，是良好的真空绝缘材料，多用于高可靠、宽频带、长寿命的电子管。 金云母的综合利用 （ 1）合成氟金云母粉 内热法合成氟金云母晶块，破碎后，在专用气流粉碎机中磨细，一般可以磨到一。这种粉料可以直接用于消防灭火和 无氢焊接，也可以用作保温、隔热、绝缘材料，还是很多其它合成氟金云母制品的原料。 （ 2）氟金云母的熔铸制品 利用氟金云母熔体的流动性和可铸性好的特点，将氟金云母小碎块加人适量的成核剂熔化后，倒人各种不同形状的模具中，能铸成各种制品。可以用内热法无坩埚熔化，也可以用粘土坩埚在硅钼棒加热炉内熔融。铸件必须在退火炉内退火，以防炸裂。 铸件是一种具有玻璃体外表，内部结构为微晶体的产品，外硬内软。这类制品的主要优点是耐高温，使用温度可达 1100 ；电绝缘性好，击穿强度 V/电常数 右，体积电阻系数 1 013m。铸件可以一次成形直接使用，也可以进行机械加工，可加工性与铸铁相似。此外，这类产品还具有抗热震好，膨胀系数低，耐急冷急热，耐铝液熔蚀等特性。这类产品已进行技术鉴定，广泛用作耐热绝缘支撑件和工业部门输送铝熔液设备。 （ 3）氟金云母陶瓷制品 这类制品品种繁多。以氟金云母粉为原料，加人适量的玻璃制成，可以热压成型，也可以注射成型。这里仅介绍一种新产品一云母微晶玻璃。主要组分为 2O、 F 等。制作过程是先形成玻璃，再进行微晶化处理形成陶 瓷。这种材料的优点是质密，真空中不放气，机加工精度高，广泛应用于真空器件，仪器的绝缘器件和骨架材料。 (4) 氟金云母纸 内热法合成氟金云母碎晶块破碎后，经水冲洗干净，水力分剥和制浆，不加胶，依靠薄片之间的吸附力，便能在抄纸机上抄成云母纸。这种纸保持了氟金云母的耐高温，绝缘好的特性，是压制板材的主要原料。 (5) 无机薄膜 将内热法碎晶片分剥成极薄的鳞片，在专用设备上，加无机胶制成一种很薄的纸膜。这种纸膜柔软，可以弯折，耐热高达 800 以上，击穿电压约为 20KV/各种异形加热器的良好绝缘 材料。 （ 6）耐热、耐潮湿报金云母层压板 这种板材是用氟金云母纸为原料，用特制的无机粘合剂浸制，按照一定的热压工艺在压机上压制而成。其优点是耐高温，使用温度可达 900 ，耐潮湿性好，沸水中煮 20 分钟不软，不分层；绝缘性好，击穿强度可达 36 42K v/面电阻 014，体积电阻系数为介电常数为 015种材料已进行部级鉴，批量生产，广泛用于电熨斗、电饭锅等家用电器上。经实际应用，很受家用电器厂家欢迎。在多次全国和省市家用电器质量评比中，凡应用了该材料的产品，均名列前矛。 板材的厚度可以根据用户要求生产。 （ 7）合成氟金云母珠光颜料 氟金云母粉还可以制成具有美丽光泽、无毒、耐酸、耐碱、耐高温、化学性稳定的珠光颜料。用于塑料、油漆、化妆品，可使制品具有珍珠光泽，是一种理想颜料。目前，合成氟金云母作为耐高温绝缘材料在我国还处于推广应用阶段。作为一种新材料，它将逐渐被认识和了解，应用必然愈来愈广泛。 2. 存在问题及解决措施 1）高温陶瓷坩埚，如氧化铝（刚玉）坩埚，会因温度激变而易发生破裂。难熔贵金属坩埚，如铂坩埚，坚固耐用不易发生破裂，但成本太高。使用坩埚前必须要充分预热。 2）将样品做 试时，云母的特征峰未出现。可能是坩埚被侵蚀影响了熔体的组成，也可能是由于冷却速度过快而形成玻璃或其他物质。需要严格控制冷却速度，降温速率一般要在 /h，以促进熔体中晶核逐步长大。还有保证选用材料的纯度。 3）目前，合成大面积氟金云母仍停留在理论阶段，需要进一步的实验探究。 3. 后期工作安排 1）大量搜集国内外文献，对合成云母做进一步了解 ； 2）寻找影响人工合成的因素； 3）归纳总结，找出能够合成高实用性能云母的最佳方案； 4）对合成 云母的应用前景作出合理的分析； 5）完成论文的写作。 指导教师签字： 年 月 日 题目 ： 人工合成金云母 I 人工合成金云母 摘 要 本课题主要通过查阅文献，了解合成云母的合成加工与应用，对合成云母的合成方法、性质、加工工艺过程，及其应用前景进行综述性分析。 云母是层状硅酸盐矿物的总称，具有绝缘、透明、耐热、耐腐蚀、易分剥并富有弹性等特性，广泛用于电机、电器、电子、无线电和家用电器等领域。常见的天然云母有白云母 、金云母 、锂云母、绢云母、黑云母等。天然云母杂质多，含矿率低 ，难以加工和分级，影响云母优良性能。因此人工合成云母显得尤为重要。 其中最具有工业价值的是 用 F取代金云母中的 成的氟金云母（ 2）。 目前合成云母的方法有内热法、坩埚法（晶种生长法）、提拉法等，工业上主要应用的是内热法，其次是坩埚法。内热法熔化量大，产率高，适合工业大规模生产。坩埚法较容易生成大面积的氟金云母晶体，有很高的实用价值。 关键词： 合成云母；内热法；坩埚法；加工工艺；应用前景 of on of is of it to in (2), , is to So is of of is F) - of - in of it is to a At of Is in by of of is to of a 录 1 绪论 . 1 究背景 . 1 究意义 . 1 展状况 . 2 期研究 . 2 业化进程 . 2 展现状 . 3 2 合成方法 . 4 言 . 4 热法合成云母 . 4 热法合成基本过程 . 4 热法合成的原料 . 4 热法合成的特点 . 5 种法合成氟金云母 . 5 种生长法基本过程 . 6 种生长法的原料 . 6 种生长法的特点 . 6 3 人工合成云母的性质 . 8 成云母的性质 . 8 成云母的光学特性 . 8 成云母的热学特性 . 8 成云母的电学特性 . 8 成云母的化学性质 . 9 成云母的其它性质 . 9 成云母与天然性能的差异 . 10 4 合成云母的应用 . 14 成云母的用途 . 14 成云母粉 . 14 档绝缘材料 . 14 成云母陶瓷 . 15 成云母熔铸制品 . 16 成云母电热板 . 16 成云母珠光颜料 . 16 可切削陶瓷 . 17 母应用的发展趋势 . 18 5 总结 . 19 结 . 19 会 . 19 参考文献 . 20 1 1 绪论 究背景 云母是一种具有晶体结构的天然造岩矿物，属于自然生成的透明层状水铝硅酸盐类矿物。云母族矿物中最常见的矿物种有白云母、金云母、锂云母、绢云母、黑云母等，含水量一般在 5% 左右。其颜色特征通常可用来判断绝缘性能，工业上一般以浅色为好，其中在工业上有重要意义的矿物为白云母、金云母等。 早期的云母产品主要是以天然树脂 虫胶、沥青和合成树脂 醇酸树脂为黏合剂，并以纸、绸为补强材料制备的片云母。随着现代工业的发展，对云母材料的研究进一步加深，发现其具有易分剥成很薄的、平坦的、光滑的和具有弹性的薄片的特性，此外还有高的抗电性能、极高的耐热性、很高的电绝缘强度、耐电晕、耐热以及良好的力 学性能，同时化学稳定性好、收缩率小、不燃、不吸湿、优异的电气绝缘性、耐水性、并且机械强度高，因此被广泛应用在电子、电力、电器、电讯、航空、交通、仪表、冶金、建材、轻工等工业部门，以及国防领域和尖端工业上的绝缘材料，其加工剩料和云母粉可以进行进一步的深加工，用于耐火材料、建材、造纸、橡胶、染料等工业 1。 但天然云母杂质多，含矿率低，难选难加工和分级，导致生产成本高，天然云母的出产不足以供应市场，且天然云母含杂质影响云母优良性能，因此人工合成云母显得尤为重要。 究意义 金云母的变种有氟金云母、钛金 云母、铬金云母、锰金云母等，特色的结构组成和层状性质使其具有独特的用途。其中氟金云母在现代工业中的应用最为广泛，用性质不同的标准氟金云母和改性氟金云母分别填充环氧树脂得到复合材料，可在保持其原有的高压绝缘性、耐介质腐蚀性等良好特性的基础上，提高其力学性能。但不同性质的氟金云母粉与环氧树脂所得复合材料的性能存在很大差异，这与填料的化学组成、微观结构等因素有关。氟金云母玻璃陶瓷具有良好的深加工、抗冲击性能，机械强度高，同时具有无机非金属材料的物理和化学性能。特别适合在航空航天、军工、石化、精密仪器、机械电子、医疗设备、低温工程等领域的应用。 近年来，日本学者采用钡云母晶体、钙云母晶体对氟金云母类玻璃陶瓷进 2 行增强，使其强度和韧性均得到明显提高，随着玻璃陶瓷中氟金云母的增加，材料的抗弯强度、弹性模量、断裂韧性都有所提高，而硬度变化不明显，又使材料具备了较好的力学性能。 展状况 期研究 人工合成云母的诞生始于 1919 年，德国西门子 司取得了第一个合成氟金云母的专利 。 1937 年该公司根据前苏联科学家德 波 格里托列夫的研究成果继续研究，在 1943 年进行了 10体量的初步工业规模级实验。 1944期间，该公司进行了多次 100体量的扩大工业规模级实验，并取得了成功。 美国在第二次世界大战结束后，全盘接收了德国有关合成云母的所有研究成果的基础上，开始合成云母的后续研究的。美国天然云母资源匮乏，几乎全部依赖从印度进口。加之，合成云母性能比天然云母优越，是国防工业和尖端科学领域中具有广泛用途的一种高温绝缘材料。所以，从 1946 年开始，美国就以美国标准局为首，并由国家海军部、矿业局电工实验室、卡罗拉多（ 业学院等多部 门参与和配合下展开合成云母的研究，终于在 1951 年发明了一种不用坩埚的所谓的 电阻内热熔制法 合成氟金云母新工艺。 业化进程 1995 年，麦卡雷克斯（ 司在英伦海峡的吉西岛正式建立了一个数千吨的合成云母工厂，标志着合成云母产业化的开始。炉型为桶形炉，最大熔体量为 15t,并获得了 505小的单晶体。在此后的若干年中，美国一直致力于开发合成云母制品的新品种，并特别重视合成云母粉来制造热压和熔铸云母陶瓷材料的开发。 英国在 1947间也追随美国开发了这方面的研究， 但一直未能掌握核心技术，因所获得的成果无法应用于工业生产而罢休。 德国在第二次世界大战之后很长一段时间内几乎没有关于合成云母的研究报道。 我国在建国初期，由于我国天然云母的产量和质量基本满足国民经济发展的需求，没有进行合成云母的研究和开发。但自从进入 20 世纪 70 年代，特别是改革开放后，随着我国能源、航空航天工业的高速发展，天然云母的性能不能满足电子工业发展的新需求，国内自此就开始研究合成云母。 1963 年原国家建材局人工晶体研究所便开展了合成云母的科学研究。 40 多年以来，中材人工 3 晶体研究院、中科院上海 硅酸盐研究所在生长大尺寸合成云母单晶体技术方面，先后取得了不少成果 2，从而使我国在人工合成云母晶体技术方面处于世界领先地位 。 展现状 云母材料主要集中在合成云母、微晶云母等新的领域。同时云母综合利用的产品，云母纸和云母粉以及深加工产品如云母绝缘制品、云母纸电器等也逐渐开始畅销，目前我国开发研制也正在加快进行中。从现在来看，电子设备生产、云母绝缘材料、云母玻璃陶瓷等对合成云母的需求继续增长，优质云母仍然十分短缺，远不能满足需求，且云母纸更是供不应求，所以我国应加大对云母纸的生产规模，提高高档云 母纸的生产水平，以提高云母纸的质量和产量。目前，相关研究工作主要集中在氟金云母材料制备及其性能优化上。 4 2 合成方法 言 通过查阅文献得知，在工业上被大量应用的主要是白云母 ，其次是金云母 F)2。由于 存在 ,天然云母只能在热液条件下合成 ,用 F取代 得的云母称为氟金云母，是较易生长成大单晶片的一种云母，通常所说的合成云母就是指氟金云母 2。内热法合成氟金晶得到氟云母小晶体。 从晶块中剥出 的大单晶片可用于特殊需要，而碎云母则可经晶种 法继续生长成氟金云母大片单晶。云母能耐 1100 的高温 ,这种云母的工业生产上可用的合成方法是内热法 3。由于内热法合成的氟金云母大多数为小单晶，所以在内热法后再采用晶种生长法，对生成的小单晶继续进行再生长，以生成大面积的氟金云母。 热法合成云母 内热法是将化工原料按照与理论组成 (2 相近的组成，配制成混合料，装入熔制炉中，将加热电极直接安放在待熔化的金云母配料内通电加热 ， 待部分生料熔融后，再借熔体导电，继续通电熔化，然后冷却析 晶的方法。 热法合成基本过程 电阻内热熔融法生产合成云母的基本过程是 4，将按配方计量过的各组分混合装入用耐火砖砌筑的高温炉中，由车台牵引到加热炉位，接通电源加热。在炉子底部，对冲地安放着两根大功率的石墨电极，电极间跨接一根石墨电阻棒（其功率通常为主电极功率的 1/301/20）。由于合成云母所使用的原料在常温下都不导电，是电的绝缘体，完全依靠 电极 电极 形成回路后的电阻焦耳热将混合粉体局部加热到熔点。 待部分生料熔融后，再借熔体导电，继续通电熔化， 形成 “ 电极 电极 ” 回路，在炉内通 过对流、传导和辐射等传热方式，形成具有一定温度场的高温环境，直至使全部原料融化。然后冷却析晶得到内热法氟云母小晶体。 热法合成的原料 早在 1963 年，中国科学院硅酸盐化学与工学研究所的谭月罴、何崇藩院士，采用内热法 5，选用滑石、氧化铝、氧化镁、氟硅酸钾和碳酸钾等五种原料，在理论基础上进行了 20 公斤熔量规模的合成氟金云母实验。滑石为工业用滑石粉，氧化铝和氧化镁亦均为工业原料，氟硅酸钾和碳酸钾为三级化学试剂。滑石和氧化镁在配料前经焙烧脱水处理。配料组成尽量采取接近于氟金云母按其分子式 2计算的化学组 5 成。接近氟金云母理论组成 2的熔体最易析出良好的晶体。其采用的原料及配料的化学分析数据示于表 表 料的化学分析和配料的化学组成 热法合成的特点 内热法合成氟金云母的优点有： （ 1） 电能消耗少，成本低；据美国矿业局电工实验室提供的资料，电能消耗为1kWh/我国大规模工业生产的电能消耗为 h/ （ 2） 熔体全部被未熔化的配料所包围，不需要坩埚，设备简单。 （ 3） 熔化量大，工业生产上的熔化量每炉次可达 10t 以上。 （ 4） 熔化过程氟化物的挥发量小，保证晶化剂在整个 析晶过程中处于饱和状态，有利于晶体的形成和生长。 （ 5） 晶体收率大，每炉产品的结晶率可达 95%以上。 电阻内热高温炉制法析晶是目前工业生产的主要方法，但是用这种方法不能使晶体定向生长和缓慢降温，因此生成的晶体一般不大，只能获得微细的小单晶片。如图 种法合成氟金云母 晶种法又被称为坩埚法下降晶种法 6。人工晶体研究院科研中心主任王国方与中材高新材料股份有限公司的欧阳胜林，在 2007 年，采用坩埚下降法（晶种生长法），选用的原料有生料及熟料两种，并以生 、 熟料混合使用，合成出大面积氟金云母 。 坩埚下降晶种法是以内热法剥离后剩余的碎晶片为熟料，生料为 使用海城产的滑石和氧化铝、氧化镁、氟硅酸钾及碳酸钾等化学试剂配成的原料。 放入铂坩埚中，在大型硅钼棒加热炉内熔融。使坩埚内的晶体在给定温度下，沿晶种方向定向生长。 组分 成分 2O 石 硅酸钾 氧化铝 化镁 酸钾 6 种生长法基本过程 坩埚下降晶种法生产合成云母的基本过程是 7，将配制好的原始混合组分经计算后装入坩埚，一般不要装的太满，以不超过坩埚体积的 3/4 为宜。为防止在高温下晶化剂（如 挥发，可将坩埚加盖，装好料后立即放入炉内升温。先将炉温升至熔点以上十几摄氏度至 100 ，并保温几 个小时至 1d 左右，让反应物充分反应、均化。在升温过程中，设法使坩埚底部温度比顶部低几摄氏度或十几摄氏度，以使溶质有优先在底部成核的倾向。然后，为节省时间，迅速降温至熔点（饱和温度），最好是成核温度（也即是析晶温度）。然后缓慢下降坩埚，熔体在固液界面上即可按晶种的方向定向生长，之后再缓慢降温，降温速率一般为 /h，以促进熔体中云母晶核逐步长大，生成较大晶体，最后形成充满坩埚的书本状大面积氟金云母单晶块。 在坩埚下降过程，炉温保持固定，并要求较高的稳定度，温度波动保持在 1 以内。为使原料充分熔化，通 常炉内的最高温度区为 1450 。 种生长法的原料 坩埚下降晶种生长法所用的原料有 有生料及熟料两种，并以生 、 熟料混合使用。生料与熟料的混合率为 3:7。 生料 使用海城产的滑石和氧化铝、氧化镁、氟硅酸钾及碳酸钾等化学试剂配成。 熟料 以内热法或在煤气炉内大坩埚大批熔制成的云母晶体块捣碎，再用盐酸与氟硼酸的混合液处理 ， 除去玻璃相及杂质矿物 ， 经水洗干燥后使用。其采用的各种原料的化学组成如表 示。 表 料的化学分析化学组成 组分成分 2O 石 化铝 氧化镁 碳酸钾 氟硅酸钾 晶种生长法的特点 这种方法的优点是云母晶体定向生长，可以获得大面积晶体。如图 这种方法要求熔体的成分要尽量接近云母的理论组成，对温度控制精度要求较高，冷却的速率 7 越慢越好， 以减少晶核的数量，控制结晶方向。其缺点是耗电量大，生产周期长，需使用铂坩埚， 坩埚是用铂泊焊成的长方体铂 坩 埚， 因此生产成本高，产量受到限制。 图 热法合成的氟金云母晶体 图 种生长法合成的氟金云母 3 人工合成云母的性质 8 3 人工合成云母的性质 成云母的性质 氟金云母的微观结构和天然金云母很相近，不同的是八面体中的 置被 F取代了，因此氟金云母具有许多新特性。人工合成云母性质与天然云母相似，但某些性能要较天然云母高一些。用于高温下的电绝缘材料更是显示出其无可取代的优越性 8。 成云母 的光学特性 合成云母的折射率较天然云母略低，这主要是合成云母中不含有致色金属离子，呈纯白色，且晶格中的羟基绝大部分已经被氟离子取代所致。 云母的光学特性，对于在电工学、电磁学、热工学等领域中的应用，其意义不是很大。但作为基材用于制造珠光和水晶一类高装饰性效果的颜料而言，却是至关重要的性能指标，正因为合成云母的折射率较天然云母低，质地更透明，当其表面包覆了 生成的颜料才具有更高的增反膜折射率，白色颜料才具有更高的白度和亮度，彩色颜料才具有更鲜明、更饱和的色彩。用合成云母 可以制成类似水晶和钻石效果的珠光颜料，而使用天然云母则不可能。 成云母的热学特性 无论是合成云母还是天然云母，都是热的不良导体。在 100600 范围内，天然白云母的热导率几乎与金云母的相同。但在 100300 的范围内，某些金云母的热导率有急剧下降的趋势，这可能与金云母的热膨胀系数有关。 云母的耐高温性使他们的共同特点之一，而合成云母的耐高温性较天然云母更胜一筹。当天然云母加热到一定温度时，云母会开始分解， 合氧气，以水的形式排出，逐渐失去透明性，垂直于解理面急剧膨胀，力学和电气性能降低 ，成为不坚固的脆性物质。加热时云母开始膨胀的温度即表示其耐热性，天然白云母为 300450 ，金云母为600650 。对合成云母而言，其平均耐热性为 1100 ，且厚度基本保持不变。 成云母的电学特性 无论天然云母还是人工合成云母，其最主要的用途是作为电绝缘材料 9。因此，合成云母的电学性能指标，是关系到合成云母在电工、电磁、电子及其相关领域内应用的一项重要指标。 由于云母的结晶为层状结构，因此对于垂直于解理面的电场力具有极高的绝缘性，而在纵的方面及沿着解理面方向的绝缘性则不甚高。 表征绝缘材 料性能的最主要的参数有电阻率、介质损耗角正切、介质常数和节电强 度。合成云母的主要电性能如表 表 成云母的主要电性能 正是由于合成云母对于垂直解理面的电场具有极高的绝缘性，体积电阻率大大高于天然云母，加之其耐热性较天然云母高出很多，使得合成云母在电工绝缘材料中的应用更为广泛。但是，也正是由于这些特点，使得合成云母再研磨过程中极易产生静电积聚，这中静电是有害的，无论是 湿法还是干法加工，都会对云母薄片的分散和分级造成困难。 成云母的化学性质 合成云母和天然云母一样具有良好的化学稳定性。合成云母在各种浓度的冷盐酸中不起化学反应；在 20%的盐酸中煮 1h，失重约 20%：在沸腾的 30%的硫酸溶液中，失重约 65%。这一点决定用合成云母作为基材制造珠光颜料过程中，通常不用热无机强酸对其进行表面活化处理。碱对合成云母几乎不起作用，在常温下合成云母浸泡在 10%以下浓度的氢氧化钠溶液中不起任何溶解和破坏作用；当温度升高至 60 时，时间过长，会使云母分子中的氧化钾（ 到侵 蚀，以至使云母失去关泽，同时其绝缘性也随之降低。 合成云母的吸水性和吸湿性很小，与天然云母相当。合成云母中几乎不含重金属离子，所以可以直接应用于食品和医药包装、儿童玩具、化妆品等。 成云母的其它性质 关于云母所特有的沿解理面的剥离性、可挠着性等，至今尚未进行充分的研究和鉴定 10。合成云母单晶片从凝固状结晶块体上剥离的难易程度使其夹杂物性质和多少而定。在几乎没有夹杂玻璃质，或夹杂物玻璃质力学性能脆弱时，比较容易剥离。当夹杂物玻璃质为 易剥离。当合成云母为氟化物 容易剥离。剥离下来的云母将夹杂的玻璃体完全除尽后，同天然云母很相似，具有很好的柔韧性和抗阻挠性。因此，当合成云母中夹杂玻璃体会将其柔韧性变差，弯曲时易折碎。 目前，尽管工业上已经能够合成大块度的云母晶体，但要从凝固的大块度晶体上剥离出连续的、大面积单晶片却是非常困难的。 性能 指标 性能 指标 密度 /(g/ 点 / 1375 体积电阻率 / 41019 介电常数 20100 耐热性 / 1100 击穿电压 / 180 表面电阻率 / 31013 介电损耗角正切 100成云母与天然性能的差异 人工合成云母与天然云母无论从形态到性质都具有明显的差别，如表 表 成云母与天然云母性能的差异 性能 合成云母 天然云母 质量的稳定性和一致性 每批次产品的配方、比例一致，原料可控，使其质量能保持稳定性和一致性 由于地壳内部复杂，每个矿内部不同位置云母质量也不尽相同，所以无法保持的稳定性和一致性 放射性 人工合成，无天然辐射源 由于山体经千万年自然形成，不少矿石含有或多或少的放射性物质 纯净度 按配方生产，云母纯度高，无杂质 自然形成，云母中含有多种杂质 重金属含量 几乎不含对人体有害的重金属，符合安全指标要求 重金属含量较高，清除困难 外观 表面光洁度高，白度高，达 92%以上 表面光洁度差，呈灰白色，白度达60%80% 耐热度 融化或析晶温度为（ 13755 ）长期耐温 950 一般在 200 开始逐渐膨胀、变色或失光 柔韧度 比天然云母柔韧性差，易产生 过磨 现象，产生大量微粉。 柔韧性较好，在粉碎或研磨过程中不易产生大量微粉 表面活性 表面活性高，化学反应活性高，解理性较差，分级难 表面活性低，解理性好，分级容易 耐电性 介强度 /(kV/ 185238 115140 绝缘性（表面电阻 /） 31013 11011 拉伸强度/50 110140 不含有 含有较 多的 ，高温下会分解 各种光的透过率 合成云母晶片透明无色，对红外、紫外等各种波长的光透过率都比天然云母高 表 成云母与天然云母主要性能参数对照 由表中可以看出，合成云母的绝缘性、耐热性、化学稳定性均优于天然云母，使得人工合成云母在电工绝缘材料中广泛应用。但是，人工合成云母仍有不足之处，如从凝固的大块度晶体上剥离性出连续的、大面积的单晶片却是非常困难的。其柔韧性也不如天然云母优良。从这 一点而言，制造力学性能良好，特别是剥离性能良好，出产大面积单晶片云母，是合成云母工业生产中追求的主要目标之一。 性能 合成云母 天然金云母 天然白云母 密度（ g/ 电强度 /(kV/185238 115140 110130 拉伸强度 /(150 95130 110150 吸水率 /% 潮率 /% 热性 / 11001300 600650 350450 体积电阻率 / 36） 1015 10131014 10141015 表面电阻率 / 31013 10101014 10111012 介电常数 14 4 合成云母的应用 成云母的用途 利用天然云母矿物原料及部分化工原料，通过内热法、坩埚下降法合成氟金云母，技术是先进的、成熟的，同时，有了合成云母这一优质原料，即可进一步加工制品，如合成云母粉、云母纸、耐热绝缘云母板、云母陶瓷、珠光颜料等，这些产品可广泛应用于军工、电子、化工、建材等工业领域之中，对发展国民经济起着重要作用 11。 成 云母粉 云母粉 12与云母一样具有较好的绝缘性能，耐高温性能，抗酸、碱侵蚀，抗热冲击性能，热膨系数小等特征。无论破碎到什么程度，均呈鳞片状，因此具有良好的弹性、韧性。云母粉滑动性较好，覆盖性较强，附着力也比较强。将合成云母粉碎成微米级微晶鳞片，然后按不同粒度，进行分级。可用作填料，在高档油漆、搪瓷、防腐、化工中被广泛应用 ， 年产值已达上百吨，还正在不断增长。油漆行业对云母粉的需求量很大，如底漆、面漆、物理防锈漆、化学防锈漆、装饰等均可采取用合成云母粉作掺和剂。在橡胶行业中，合成云母粉作为高强度电绝缘 和耐酸碱制品的填充剂，轮胎翻新时做遮盖剂，轮胎制造中作内外胎之间的润滑剂。要求介电性能较好而又要具有耐水、耐酸等化学稳定性的塑料制品，多半是用含云母粉的压塑粉制造的。还有其它方面的应用，如钻井钻探时作封闭井孔用料，浇铸金属时作模型的涂料，铝制品的擦光剂，电镀溶槽涂料，化妆品的脱脂粉中的填料，防冻、防锈漆膏的添加剂，密封漆灰的掺合剂，在消防器材中可做干粉灭火器中的粉料悬浮剂。此外，合成云母粉还可做云母纸 13、合成云母陶瓷的原料。 云母粉可分为干法和湿法两种成型法。湿法是近年来发展较快的一种新工艺。 用该方法，得到的云母微粉晶片完整、透明、径厚比高。特别在高档化产品中，在高温环境下应用，比天然云母更具有优越性。 档绝缘材料 由于其绝缘性好，尤其是在高温下的绝缘性能优异，因此可以用于制造云母纸、云母纸压板等高档绝缘材料 14，在电工、电子行业等方面得到广泛应用。 云母块破碎后，经水力分剥，成为鳞片微晶，用造纸工艺可制成合成云母纸。云母纸作为耐高温绝缘材料，用途极为广泛。合成云母纸即氟金云母纸比 15 天然云母纸有如下优点：（ 1）可承受更高温度，长期使用温度可达 1000 以上；（ 2）不添加任何有机粘结 剂，完全依赖于云母平行面之间的表面力结合在一起。可制成各种绝缘带，换向器板等云母纸制品。为了发挥其优势，一般制成无机粘结层压板，能承受 900 1000 的高温，在高温下仍具有良好的机械绝缘性能。能承受急冷急热的冲击，可以进行冲、铣、切等机械加工，耐潮湿，重量轻。作为一种耐高温的新型绝缘材料，可应用于电子、电机、化工、冶金、电热器、家用电热器具等方面。 在电子管工业上，用云母纸层压板可代替电子管用的板材料。在家用电器中，如电熨斗、电吹风、面包烘炉等，采用合成云母层压板耐高温绝缘骨架，具有耐高温、寿命长，高温下 和潮态下绝缘性能好，安全可靠，无烟、无臭等优点。另外，合成云母层压板还有成材规整，便于加工、重量轻（约为陶瓷的三分之二），可以和金属铆接等优点，所以它广泛用于家用电器中。在电石炉、铁合金炉、黄磷炉等冶炼炉的石墨电极的绝缘件、套均采用合成板，寿命长，高温绝缘性能好，在导热测定仪、复印机、雷达航测节能方面也有着重要的应用。 成云母陶瓷 这类制品品种繁多。以氟金云母粉为原料，加人适量的玻璃或其它无机材料按一定比例混合制成，可以热压成型，也可以注射成型。这种材料的优点是质密，真空中不放气，机加工精度高， 广泛应用于真空器件，仪器的绝缘器件和骨架材料。它是一种复合物，兼有云母、陶瓷、塑料三者的优点：既可象塑料模样成型，又具有云母的优良电器绝缘性和加工性，还具有陶瓷的耐高温等特性，是一种具有多功能的复合材料。 云母陶瓷 15是一种优质的绝缘材料，它的介质损耗角正切和介电常数与滑石瓷相近，吸水率很小，同时是具有良好的抗电弧性，在强大的电弧作用下，能够熄弧且不发生碳化或炸裂，因此能应用于大电流断路器的隔弧装置中。在700 下不老化、不变形、尺寸稳定、性能可靠、抗热冲击性良好。同时其表面可镀上铜、银、金等金属，并在 一定温度范围内能保持牢固结合。 云母陶瓷突出的另一个优点是可用普通机床、普通切削刀具进行车、铣、刨、磨、钻等，使制造形状复杂、尺寸精确的陶瓷部件有了可能。云母陶瓷成型后不收缩、不变形、；耐腐蚀、抗辐射、抗潮湿，不受紫外线、日光及臭氧的影响。因此其应用领域是极广泛的，目前我国已在船用电器、电力机车快速开关上用作新型灭弧材料，代替石棉水泥制品；在高压开关上用作并联电阻盘，代替环氧树脂玻璃布有机电阻片；在导航设备的微波天线上作绝缘垫板，代替75%氧化铝瓷和滑石瓷；在航空工业上用作各种接插元件和磁控管座，代替有 16 机硅 塑料；在仪表上用作尺寸稳定的支架、线圈架；在电子管上用作高温绝缘管座；在家用电器方面也有其广泛的应用，如真空管元件、微波元件、编码和存储元件、开关设备、线圈架、铜焊夹具、电刷柱、整流器的转换器、高温接线板、高频发射机元件、加热元件、等离子体发动机部件、热电偶密封件、电路板、陀螺平衡环等。 成云母熔铸制品 它是采用合成云母碎晶片作为主要原料，经配料、溶化、浇注成型、结晶退火等工序而制成的一种耐高温、可加工、抗腐蚀的新型无机绝缘材料。它可以用一般的机械加工法进行切削、钻孔、铣、刨、磨等，并能加工成各 种复杂的异形件，尺寸精确、表面光洁。它的优异的抗化学腐蚀性，几乎可耐所有的酸碱 16。 此外，合成云母熔铸制品还具有良好的电绝缘性和较高的机械强度以及辐射、抗氧化、与某些金属具有一定的焊接性等一系列优良性能。因此，合成云母熔铸制品在精密仪器、仪表工业和电器绝缘方面的应用十分广泛。还可以广泛应用在冶金、化工、飞机、激光、汽车制造等各个方面。 熔铸云母制品表面可进行上釉处理、能保证其表面
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