锆石英坩埚（Zircon-Quartz Composite Crucible）制备工艺与检测方法

一、产品定义与结构

二、全过程制备工艺

A. 原料选用与预处理

1. 外层料（熔融石英层，wt%）
   • 熔融石英砂 99.5（20-40目40%；40-80目35%；80-200目25%）
   • 高岭土结合剂 0.3（<2µm）
   • 聚乙烯醇（PVA）0.2（造粒用）
2. 内层料（锆英石层，wt%）
   • 锆英石粉 85-90（d50=3-5µm；ZrO₂≥65%，Fe₂O₃≤0.08%）
   • 电熔刚玉细粉 5-8（<10µm，提高高温强度）
   • 苏州土 3-5（塑性）
   • 硅溶胶（30%）4-6（常温结合；干燥后形成SiO₂微网）
   • 分散剂（聚丙烯酸铵）0.15-0.20
   • 去离子水 外加18-22（注浆或喷涂用）
3. 预处理
   • 锆英石粉800℃煅烧2h→骤冷→酸洗（4mol/L HCl+0.5mol/L HF，60℃×2h）→磁选（1.8T）→水洗至中性→干燥；杂质去除率≥90%。

B. 成型（双层一次性复合成型）

1. 石膏模具或树脂模具预先喷涂SiC脱模层0.5mm。
2. 注浆复合
   • 先注入锆英石浆（内层），石膏吸浆至设计厚度4-6mm；
   • 立即倒出余浆，随即注入熔融石英湿泥（外层），吸浆至总壁厚10-12mm；
   • 整个注浆过程模具微振（50Hz，0.3g）排除气泡。
3. 脱模后24h内修坯、倒角，并在外壁预制3条排气线槽（宽×深=1mm×0.5mm）。

C. 干燥

• 40℃×12h→60℃×12h→100℃×8h；
• 控制相对湿度<40%，干燥收缩率：锆层≈0.8%，石英层≈0.3%，差异通过界面锯齿槽抵消，层间不开裂。

D. 烧成

• 装钵：每个坩埚扣装于Al₂O₃匣钵，埋粉（锆英石+刚玉）防变形。
• 隧道窑升温曲线：
  • 20-150℃ 1℃/min 360min
  • 150-540℃ 5℃/min 30min
  • 540-850℃ 1℃/min 30min（结合剂排除段）
  • 850-1320℃ 4℃/min 120min（最高温度）
  • 自然降温至200℃出炉。
• 烧成指标：锆层体积密度≥4.05g·cm⁻³，石英层≥2.00g·cm⁻³；层间剪切强度≥12MPa。

三、性能要求与检测方法

A. 化学性能

B. 力学性能

C. 热学性能

D. 专用检测设备清单

1. X射线荧光光谱仪（XRF）—化学成分
2. ICP-OES/MS —痕量杂质
3. 万能试验机（100kN）—常温力学
4. 高温抗折试验机（最高1600℃）—高温强度
5. 推杆式热膨胀仪—线膨胀
6. 自动热震循环炉（1100℃水冷）—热震寿命
7. 高温蠕变&荷软一体机—长期变形
8. 激光导热仪（LFA）—热扩散系数/导热率
9. 扫描电镜+EDS—层间显微结构及元素迁移
10. 超声探伤仪（20MHz）—内层连续性、气泡缺陷

四、关键控制点

1. 锆英石浆稳定pH=9-10，ζ电位≥+35mV，防止颗粒团聚。
2. 烧成>1300℃时锆英石分解生成ZrO₂+SiO₂，需快冷至1180℃以下抑制二次反应；埋粉隔绝SiO₂挥发。
3. 层间界面做环向锯齿（深0.3mm，距1mm）+硅溶胶过渡，保证咬合与热膨胀匹配。
4. 出厂前100%超声C-Scan，内层气泡单点直径≤0.5mm，累计面积≤0.2%。

五、结语