二氧化硅——提升陶瓷性能的“灵丹妙药”！

说到二氧化硅在陶瓷方面的应用，首先想到的便是石英陶瓷。由于具有诸多优良性能，石英陶瓷自问世以来迅速在冶金、电工、玻璃、航空、耐腐蚀件、光伏等行业得到广泛应用。在制备石英陶瓷时，往往会添加一些添加剂改善性能，但“SiO2”这一成分始终是绝对的主角。 

其实，作为配角，SiO2还常常以辅料的方式被添加到其它陶瓷材料中，会显著提升陶瓷材料的各方面性能。

对氧化铝陶瓷性能的影响

国内外对各种添加剂掺杂氧化铝陶瓷以提高其力学性能展开了深入的研究，其中SiO2是一种常用的烧结助剂成分。陈禧等研究了添加MgO-SiO2对高纯Al2O3陶瓷烧结性能的影响，SiO2在高温下能够得到稳定的硅酸盐液相，它们是二元或三元的低熔点化合物，液相能促进烧结，降低烧结温度，细化晶粒，使氧化铝陶瓷的力学性能得到改善。

此外，如果用纳米SiO2代替纳米Al2O3添加到95陶瓷中，不仅可以起到纳米颗粒细化的作用，同时也可提高陶瓷材料的强度、韧性及硬度和弹性模量等性能，其效果比添加Al2O3更为理想。姬军成等通过向95氧化铝陶瓷中添加不同量的纳米SiO2，采用干压成形工艺制备样品，探究了不同烧结温度和纳米SiO2添加量对95氧化铝陶瓷烧结性能和力学性能的影响，结果表明：当纳米SiO2添加量为2％，烧结温度为1600℃时，样品的晶粒尺寸均一，体积密度最高为3.70g/cm3，抗弯强度和断裂韧性分别达到值342.89MPa和5.34MPa·m1/2。相比未添加纳米SiO2样品的抗弯强度和断裂韧性分别提高了34.28％和4.5％。

对钛酸铝陶瓷性能的影响 

钛酸铝（Al2TiO5，简称AT）是一种具有高熔点、低膨胀特性的陶瓷材料，在汽车引擎构件、有色金属铸造和电子陶瓷等行业有着广泛地应用。但钛酸铝材料在800～1280℃会分解为刚玉和金红石，从而丧失其低膨胀的特性。因此，探索钛酸铝的稳定方法与稳定机理是钛酸铝材料研究中的关键。陆洪彬等利用二次烧成工艺研究添加剂MgO、SiO2对抑制钛酸铝热分解的作用及其机理。研究结果表明，MgO和SiO2复合添加剂可以显著提高钛酸铝的热稳定性和抗弯强度。

包覆对BaTiO3陶瓷性能的影响

经研究发现，SiO2包覆的BaTiO3粉体材料经过1225℃烧结成陶瓷，可获得钙钛矿结构的介质陶瓷，SiO2的引入生成了第二相Ba2TiSi2O8。烧结后陶瓷介质材料漏电流较大，耐电压特性没能呈现一定的规律，但材料的耐电压性能及储能密度有所提高。

掺杂对BeO陶瓷的影响

氧化铍陶瓷因具有高导热率、高熔点、高强度、高绝缘、高的化学和热稳定性、低介电常数、低介质损耗以及良好的工艺适应性等特点，已在真空电子技术、核技术、微电子与光电子技术领域得到广泛应用，并已成为军用电子信息技术以及航天航空应用领域不可或缺的基础电子功能材料。

目前氧化铍陶瓷正向高纯度高性能方向发展，一般都要求使用含BeO在99%以上的产品，但纯度越高，材料就越难烧结致密。唐海燕等通过研究发现，SiO2掺杂对99BeO高导热陶瓷微观结构及性能有显著影响，随着SiO2掺杂量的增加，99BeO陶瓷的抗折强度、密度、导热率以及电学性能均呈较明显的单峰分布。当SiO2掺杂量为0.8%（w）时，可获得性能优良、结构致密的高导热陶瓷，其抗折强度为248MPa，密度为2.957g/cm3，导热率为303W/（m·K）。

对PMSZT压电陶瓷的影响

压电陶瓷的应用遍及社会生活的各个角落。但在实用化压电陶瓷材料中含铅系的压电陶瓷占主导地位。传统压电陶瓷的烧结温度一般约在1200～1300℃。材料中含有的PbO熔点很低在高温烧结时挥发严重。由于PbO的挥发导致材料的化学计量比偏离设计的配方‚使其性能下降。若能在PbO明显挥发前进行烧结则可以较好地解决这个问题，因此抑制PbO挥发积极而有效的方法是实现压电陶瓷的低温烧结。

何杰等探讨了低温烧结时SiO2掺杂对锑锰锆钛酸铅Pb（Mn1/3Sb2/3）0.05Zr0.47Ti0.48O3（PMSZT）压电陶瓷性能的影响。结果表明合成温度900℃时可得到钙钛矿结构，w（SiO2）不同时PMSZT试样均为四方相和三方相共存，随着w（SiO2）的增加三方相在准同型相界中的比例略有增加。当w（SiO2）＝0.10％时得到电性能优良的压电陶瓷，tanδ＝0.4％，压电常数d33＝264pC/N，机电耦合系数kp＝0.59，机械品质因数Qm＝3113。SiO2的加入使PMSZT陶瓷的居里温度降低，谐振频率随温度的变化几乎都是正。

对YSZ陶瓷的影响

王子媛等研究了SiO2含量对YSZ陶瓷在不同温度下时效后的烧结速率影响，同时研究了其对YSZ时效过程中的结构形貌和性能变化的影响。结果发现，添加SiO2将会加速YSZ陶瓷块体二次烧结后的力学及热学性能的改变。在1300℃的热处理温度下，添加了0.3%SiO2的样品气孔率下降率为48%，硬度增长率为14%，杨氏模量增长率为15%，热导率增长率为25%，均高于未添加SiO2的样品。因此，SiO2的引入将会加速YSZ在高温下的烧结。

对激光熔覆CaP生物陶瓷涂层的影响

刘均环等采用激光熔覆方法制备出不同含硅量的CaP生物陶瓷涂层。研究发现，随着SiO2含量的增大，涂层表面腐蚀电流密度逐渐减小，同时可以加快涂层表面类骨磷灰石的形成，其中，添加SiO2为1wt.%时涂层表面类骨磷灰石呈均匀分布。因此，低含量SiO2可以提高生物陶瓷涂层的耐腐蚀性和生物活性。

对氧化铝泡沫陶瓷中的影响

氧化铝泡沫陶瓷主要是由氧化铝细粉、高岭土、钾长石、硅微粉等原料制作而成，随着氧化铝泡沫陶瓷使用越来越广泛，人们对其研究也越来越多。

硅微粉对制品性能的影响有三点：

一是通过填隙减少气孔；

二是在较低温度下与氧化铝微粉结合较好，封闭部分贯通气孔，从而使制品致密化；

三是在高温过程中产生莫来石晶相，弥散到制品中，从而改善制品性能。

对ZnO压敏陶瓷的影响

ZnO压敏陶瓷可以有效地吸收电路中的过电压和过电流，对电力、电子系统进行实时保护，是组成浪涌吸收器和避雷器的核心元件。陈永佳等研究了SiO2的掺杂对ZnO压敏电阻陶瓷微观结构和电学性能的影响。在烧结过程中，SiO2可以与ZnO形成液相，促进尖晶石相的形成，有利于晶界的均匀分布。随着SiO2掺杂浓度的增大，ZnO压敏陶瓷的三个强衍射峰逐渐向低角度方向偏移，平均晶粒尺寸先减小后增大。当掺杂浓度为1.6%时，平均晶粒尺寸达到最小值（1.5μm），击穿场强E1mA达到值（385.6V/mm），非线性系数α达到值（84.2），漏电流IL达到最小值（1.1μA）。

对钛酸锶钡陶瓷的影响

欧阳林虹等采用传统的固相反应法制备二氧化硅（SiO2）掺杂钛酸锶钡（Ba0.65Sr0.35TiO3，BST）陶瓷（BST+x%SiO2），研究了掺杂二氧化硅对BST陶瓷的物相、微观形貌、介电性能及电卡效应的影响。结果表明：掺杂SiO2并未改变BST陶瓷的晶型结构，但有助于提升晶粒的均匀性和材料介电性能频率的稳定性。随着SiO2掺杂量增加，BST陶瓷的介电常数呈现单调递减趋势，介电弥散特性逐渐增强。

对石榴石体系透明陶瓷中的影响

在制备石榴石体系透明陶瓷时，通常采用烧结助剂来提升陶瓷的光学质量。在石榴石体系陶瓷烧结过程中，加入SiO2可以生成液相，加快气孔沿晶界排出，是一种有效的烧结助剂。另外值得注意的是，SiO2可以在退火过程中起到抑制Pr离子变价的作用，因此，添加微量SiO2结合热等静压烧结是制备Pr掺杂石榴石闪烁陶瓷的有效途径。

对氧化锆陶瓷韧性的影响

氧化锆主要有三种晶型：m-ZrO2、t-ZrO2、和c-ZrO2，研究已经证实，t-ZrO2为常温稳定相，具有特殊的相变增韧机制。稳定性好、硬度高、熔沸点高是纳米SiO2的巨大优势，向陶瓷中掺加微量的SiO2对烧结温度的降低起促进作用，利于陶瓷的烧结，使烧结后陶瓷颗粒均匀紧密排列。经研究发现，发现掺杂少量的SiO2能够使四方相ZrO2稳定存在。

参考来源：

[1]陆洪彬等.MgO/SiO2添加剂对钛酸铝陶瓷性能的影响

[2]张益鸣.SiO2包覆BaTiO3粉体及其对陶瓷材料储能特性的影响

[3]陈禧等.MgO-SiO2微量添加剂对高纯Al2O3陶瓷性能的影响

[4]唐海燕等.SiO2掺杂99BeO陶瓷的微观结构与性能

[5]王子媛等.SiO2含量对YSZ陶瓷在高温时效中烧结性的影响

[6]刘均环等.掺杂低含量SiO2对激光熔覆CaP生物陶瓷涂层性能的影响

[7]欧阳林虹等.二氧化硅掺杂钛酸锶钡陶瓷的介电性能与电卡效应

[8]陈永佳等.SiO2掺杂浓度对ZnO压敏陶瓷结构与性能的影响

[9]胡泽望等.微量SiO2添加对Pr:Lu3Al5O12陶瓷光学及闪烁性能的影响

[10]刘秀菊.氧化镧协同纳米二氧化硅增韧氧化锆陶瓷及相关机械性能的研究

[11] 姬军成等.纳米SiO2添加量对95氧化铝陶瓷力学性能的影响