在特种陶瓷领域，氧化钛及其衍生化合物一直扮演着不可或缺的角色。从高频电路的基石到极端热冲击环境的守护者，钛基陶瓷以其多变的性能，满足了从电子到冶金的苛刻需求。然而，要驾驭这种多变性，关键在于对成分、结构与性能之间关系的深刻理解。本文将深入剖析几种核心的钛基陶瓷体系，揭示其配方设计、性能优化与应用潜力背后的技术逻辑。
金红石（TiO2）是构建许多功能陶瓷的基础。其自身熔点高达1840°C，真密度为4.26 g/cm3，并且从常温到熔点，其稳定的正方晶体结构为材料性能的一致性提供了保障。
纯粹的TiO2难以直接成型和烧结，因此在工业生产中，通常会引入一系列辅助原料。例如，膨润土作为增塑剂改善坯料的可塑性，而氧化锆则常被用作助烧剂，以降低烧结温度，促进致密化。配方的精妙之处在于，通过微调各种组分的比例，可以对最终产品的性能进行精细调控。
表1：金红石陶瓷典型配方示例 (%)
| 原料 | 配方1 | 配方2 | 配方3 | 配方4 |
|---|---|---|---|---|
| 氧化钛 | 87 | 87 | 88 | 90 |
| 氧化锆 | 5 | 5 | 3.5 | 1 |
| 钨酸 | 1 | 1 | 1 | 1.8 |
| 苏州一号土 | 5 | 3 | 5.5 | 1 |
| 膨润土 | 1 | 2 | 1 | 4.5 |
| 碳酸钡 | 2 | 2 | 0.5 | 0.9 |
| 碳酸钙 | 1 | 1 | 0.5 | 1 |
| 氟化钙 | 1 | 1 | 2 | 1.8 |
| 氧化锌 | - | - | - | 0.9 |
为了进一步优化特定性能，特别是电学性能，研究人员会引入ZrO2或La2O3等改性成分。这些改性剂能显著影响材料的介电常数、介电强度及电阻率等关键指标。
表2：改性金红石陶瓷关键性能对比
| 性能参数 | ZrO2 改性 | La2O3 改性 |
|---|---|---|
| 介电常数 ε (0.5~5 MHz) | 70~80 | 65~80 |
| 介电强度 (V/m) | (10~12)×106 | (12~16)×106 |
| 电阻率 (Ω·m) | >1010 | 1011 |
| 介电常数温度系数 TKε (°C-1) | (-750 ± 50)×10-6 | (-470 ~ -750)×10-6 |
| 介电损耗 tgδ (1MHz, 20°C) | (2~4)×10-4 | (1~2)×10-4 |
| 介电损耗 tgδ (1MHz, 80°C) | (2~5)×10-4 | (1~2)×10-4 |
| 体积密度 (g/cm3) | 3.9 | 3.8 |
| 线膨胀系数 (°C-1) | (7~8)×10-6 | (7~8)×10-6 |
| 抗弯强度 (MPa) | 117.7~176.5 | 137.3~196.2 |
数据显示，La2O3改性在提升介电强度、降低介电损耗以及提高抗弯强度方面表现出更优的潜力，这为开发高性能电子陶瓷元件提供了明确的技术方向。
钛酸铝（Al2O3·TiO2）以其极低的热膨胀系数而闻名，这一特性使其成为制造炉衬、热交换器、催化剂载体及测温保护管等耐受剧烈温度变化部件的理想材料。其理论摩尔比为Al2O3:TiO2 = 1:1，对应质量比约为56%:44%，熔点高达1860°C。
然而，钛酸铝陶瓷的研发并非一帆风顺，其主要挑战在于如何在保持低膨胀特性的同时，提升其相对较弱的机械强度。国内外的研究机构为此付出了大量努力。例如，咸阳陶瓷研究院发现在合成过程中加入适量的四价硅化物，能有效促进钛酸铝的合成并显著提高制品强度。
以下数据汇集了国内代表性研究成果与国外同类材料的性能，直观地展示了钛酸铝材料的性能水平。
表3：国内外钛酸铝陶瓷性能对比
| 性能参数 | 咸阳陶瓷研究院 (AT-10) | 武汉科技大学 (218) | 国外综合数据 |
|---|---|---|---|
| Al2O3 含量 (%) | 56 | - | 53~56 |
| 线膨胀系数 (°C-1) | (0.67~1.35)×10-6 (20~800°C) | <1.5×10-6 (20~1000°C) | (0.5~2.4)×10-6 (20~800°C) |
| 体积密度 (g/cm3) | 3.26 | 3.31 | 3.0~3.39 |
| 显气孔率 (%) | 8.82 | 11.2 | ~16 |
| 吸水率 (%) | 2.68 | 3.36 | ~1.57 |
| 抗弯强度 (MPa) | 22~28 | - | 18~24 |
| 耐压强度 (MPa) | 170～200 | - | 120~145 |
| 热导率 (W·m-1·K-1) | 1.27 | - | 1.29 |
| 荷重软化温度 (°C) | 1600～1650 | - | - |
| 热稳定性 | - | 1100°C, 20h无分解 | - |
| 钛酸铝含量 (%) | - | >90 | - |
从数据对比中可以看到，国内研发的钛酸铝产品在密度、强度等关键指标上已达到甚至超越了国外报道的水平。全球范围内的技术竞赛也在持续推动材料性能的突破。日本东京工业大学的研究更是将钛酸铝陶瓷在1100°C的高温强度从62MPa提升至惊人的280MPa。这些成就的背后，是复杂的配方优化与工艺控制。从原料选择、造粒、成型压力到烧成制度的每一个环节，都对最终性能产生着决定性影响。
要精确复现并优化这些高性能陶瓷的制备工艺，离不开对原材料纯度、相组成、微观结构及最终物理化学性能的全面、精准表征。每一个性能数据的背后，都对应着一套严谨的测试方法和质量控制标准。这正是专业检测实验室的核心价值所在。
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除了金红石和钛酸铝，钛酸钙和钛酸镁体系则为电子工业提供了更丰富的材料选择，尤其是在需要对介电性能进行精细调节的场合。
在钛酸钙体系中，CaO与TiO2的摩尔比是调控材料电性能最直接、最有效的杠杆。随着体系中TiO2含量的增加，合成温度呈现降低趋势，而介电性能则发生规律性变化。
表4：CaO-TiO2摩尔比对钛酸钙介电性能的影响
| 摩尔比 | CaO (%) | TiO2 (%) | 烧成温度 (°C) | 吸水率 (%) | ε (25°C) | TKε (°C-1) | tgδ (1MHz)×10-4 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1CaO·6TiO2 | 10.5 | 89.5 | 1275 | 0 | 117 | -1200×10-6 | 2.5 |
| 1CaO·2TiO2 | 26.0 | 74.0 | 1310 | 0 | 142 | -1500×10-6 | 2.5 |
| 2CaO·3TiO2 | 31.9 | 68.1 | 1310 | 0 | 151 | -1650×10-6 | 3.0 |
| 1CaO·1TiO2 | 41.2 | 58.8 | 1400 | 0.001 | 143 | -1800×10-6 | 2.5 |
| 3CaO·2TiO2 | 51.3 | 48.7 | 1500 | 0.02 | 55 | -260×10-6 | 1.0 |
| 2CaO·1TiO2 | 58.4 | 41.6 | 1500 | 0.01 | 40 | -155×10-6 | 2.0 |
| 3CaO·1TiO2 | 67.8 | 32.2 | 1500 | 0.01 | 34 | -100×10-6 | 2.0 |
这清晰地表明，通过精确控制CaO与TiO2的摩尔比，可以实现对钛酸钙陶瓷介电性能和温度系数的大范围、定向化调节。在实际配料中，通常以合成的钛酸钙熟料为主体（如99%），并加入少量ZrO2（如1%）以降低烧成温度、拓宽烧结范围。
与钛酸钙类似，钛酸镁陶瓷的性能也深度依赖于MgO与TiO2的比例，这一比例直接决定了烧成后瓷件中的物相构成。
表5：MgO-TiO2比例对烧成瓷件物相组成的影响 (%)
| 初始组成 | MgO (%) | TiO2 (%) | 2MgO·TiO2 | MgO·TiO2 | MgO·2TiO2 | TiO2 | MgO |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TiO2 | - | 100 | - | - | - | 100 | - |
| MgO·2TiO2 | 20.1 | 79.9 | - | - | 100 | - | - |
| 3MgO·2TiO2 | 43.1 | 56.9 | 86.2 | - | - | 13.8 | - |
| 2MgO·TiO2 | 50.2 | 49.8 | 100 | - | - | - | - |
| 3MgO·TiO2 | 60.2 | 39.8 | 79.6 | - | - | - | 20.4 |
| 5MgO·TiO2 | 71.6 | 28.4 | 56.8 | - | - | - | 43.2 |
| 20MgO·TiO2 | 90.9 | 9.1 | 18.2 | - | - | - | 81.8 |
从上表可以看出，只有在特定的化学计量比下才能得到纯相的钛酸镁化合物，如MgO·2TiO2和2MgO·TiO2。在其他比例下，最终产物均为混合相。这种相组成的复杂性为材料设计者提供了广阔的调控空间。通过引入CaTiO3、SrO、BaO或La2O3等其他化合物，可以进一步对钛酸镁陶瓷的介电常数及其温度系数进行“微调”，以满足不同频率、不同工作温度下电子元器件的苛刻要求。
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