常见的无机晶须及其应用

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1、常见的无机晶须常见的无机晶须材料材料及其应用及其应用 中国粉体技术网 晶须是由高纯度单晶生长而成的微纳米级的短纤维。其机械强度等于 邻接原子间力产生的强度。晶须的高度取向结构不仅使其具有高强度、高模量和高伸长率， 而且还具有电、光、磁、介电、导电、超导电性质。 氧化锌晶须氧化锌晶须 氧化锌晶须（ZnOw）按结构形态不同可分为针状晶须和立体四针状晶须。前者与其他 针状晶须一样， 主要用作复合材料的增强剂； 后者因为结构独特，除用于增强外，还可用 于制备功能性复合材料。氧化锌晶须由于其独特的立体四针状结构， 可各向同性地改善材 料的力学性能，如抗拉、抗弯曲和耐磨性能；同时由于 ZnOw 的耐高温性

2、、导热性和低膨 胀系数， 能提高材料在高温下的化学和尺寸稳定性。 含 20% （vol） 氧化锌晶须改性的 POM、 尼龙-66、PBT 树脂，它们的拉伸强度、弯曲强调、弯曲模量、缺口冲击强度、热变形温度 均有很大的提高，而线膨胀系数和成型收缩率则有大幅度的降低， 在应用中取得了良好的 效果；ZnOw 的体积电阻率小于 50/cm，又具有高的真实密度（5.8g/cm3） ，低的堆集密 度 （0.01-0.5g/cm3） ， 因而它能赋予其复合材料具有吸声、 减振和抗振性能， 可用于音频机。 另外， ZnOw 具有抗菌、 吸收紫外线及红外线的作用,已证明 ZnOw 树脂基复合材料对大肠杆 菌、金

3、色葡萄球菌、铜录假单胞菌等菌种杀灭率达 99%。将 ZnOw 加入塑料、橡胶、涂料 中,可以制成抗菌冰箱、电话、食品袋和地板等。ZnOw 还可以应用在原子力显微镜（AFM） 和扫描隧道显微镜（STM）探针等方面。 氧化锌晶须用于橡胶等高分子材料还有增加强度、提高抗冲击能力和分散热量的功能。 氧化锌晶须/橡胶复合材料可用于土木建筑、机械结构、铁路轨道、交通运输等领域用于减 振降噪材料中。 北京工商大学温变英等以乙烯-辛烯共聚物接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯（POE-g-GMA） 为增容剂，利用熔融共混法制备了聚丙烯（PP）/POE-g-GMA/四针状氧化锌晶须（T-ZnOw） 复合材料， 借助于 SE

4、M、 DSC 和其他测试手段对复合材料的结构和性能进行了考查。 DSC 测 试结果表明，T-ZnOw 对 PP 基体的结晶有一定的诱导作用， 使体系出现了双熔融峰和双结 晶峰， 但对 PP 的结晶能力和结晶度影响不大。力学性能测试结果表明，在 POE-g-GMA 的 协同作用下，T-ZnOw 对 PP 基体有较强的增韧作用，但增强作用不明显。 硼酸镁晶须硼酸镁晶须 硼酸镁晶须又名焦硼酸镁晶须， 它的价格仅是碳化硅晶须的 1/201/30， 是当今复 合材料最有希望广泛应用的晶须之一。 硼酸镁晶须不仅在增强复合材料时表现出良好的增强性能， 而且具有轻质、 高韧、 耐磨、 耐腐蚀等特点，可以应用于

5、许多场合，如发动机活塞、连杆、压缩机汽缸、汽车刹车片和离 合器的衬片等耐热、耐磨部件；滑轮、凸轮、轴承、拉锁及体育用品等耐磨部件。 此外，硼酸镁晶须增强塑料成型流动性好，接近于无填充树脂，晶须可达到部件的任意 角落，且表面平洁光滑，成型精度高，部件尺寸稳定性强，因此也可以用于制造精小零部件 和超薄壁零部件，如手表、照相机等的内部塑件等。目前的研究结果表明，增强塑料方面， 硼酸镁晶须比钛酸钾晶须具有更好的性能，增强镁、铝基金属材料时，硼酸镁晶须可提高弹 性模量 10%-50%。可以预见，硼酸镁晶须将以其高的性价比，出现在复合材料市场上，在航 天航空先进复合材料技术的民用化进程中， 硼酸镁晶须增强

6、材料将占据重要的地位。 硼酸铝晶须硼酸铝晶须 硼酸铝晶须是通过人工控制得到的针状单晶纤维，属于正交系结构的晶体，由 Al2O3 与 B2O3 以一定的比例结合得到。这种晶须具有高的弹性模量、良好的机械强度；耐热性、 耐化学药品性、耐酸性、电绝缘性、中子吸收性能、与金属共价性等特点，不仅可以用于绝 热、耐热和耐腐材料， 也可用作热塑性树脂、热固性树脂、水泥、陶瓷和金属的补强剂， 主要用于轻金属合金、陶瓷材料、树脂基复合材料以及涂料等的增强方面。 增强高分子材料是当前硼酸铝晶须开发研究的热点之一， 目前研究使用的基体树脂主 要包括 PP、PE、PVC、PS、PC、PA、聚酰亚胺、聚苯硫醚等，制得的

7、复合材料具有优异的强 度、刚度、耐磨性；耐冲击性及润滑性能， 可广泛用于汽车刹车片、离合器衬片、滑轮、 轴承等，也可以做成体育运动器件。 国内硼酸铝晶须增强复合材料方面的研究领先于晶须的合成研究， 初期主要通过购买 日本产的晶须进行研究工作，哈尔滨工业大学、中科院沈阳金属研究所、中科院上海硅酸盐 研究所、清华大学、上海交通大学、浙江大学等单位均曾涉足该领域的研究工作，取得了丰 硕的研究成果。 目前， 我国在硼酸铝晶须的合成、 增强增韧复合材料、 产业化等方面都具备相当的实力， 可以预期，在不远的将来， 硼酸铝晶须将会在增强金属基（铝基、镁基） 、陶瓷基、塑料、 玻璃、纤维以及涂料等方面，得到非

8、常广泛的应用。 碳酸钙晶须碳酸钙晶须 碳酸钙晶须有方解石、文石型和球霞石型等多种类型， 其中的文石型碳酸钙晶须是近 年出现的一种新型针状材料，不仅弥补了目前市场中 SiC、钛酸钾晶须成本较高的弱点，而 且它具有白色度高、填充量大的优点，有望在日用塑料等领域大量使用。由于文石型碳酸钙 晶须的结晶形式为单晶， 晶体内部几乎无缺陷，所以具有强度高、模量高、耐热与隔热性 好等优良特性。另外，由于它具有特殊的外形，因而与塑料复合时与基体树脂的相容性好， 可以改善制品的加工性能，提高力学性能，赋予制品表面光滑和具有耐磨性，广泛应用于汽 车、塑料、电气部件制造、高光洁度结构部件制造等领域。 福建省塑料工业协

9、会余卫平对晶须碳酸钙在聚乙烯（PE）中的应用进行了研究。结 果表明，处理过的晶须碳酸钙添加到 PE 中可以使其 MI 值由 4.90g/10min 提高到 8.35G/10min，加工流动性能明显提高；DMTA 试验也表明， 晶须碳酸钙/PE 合材料的机械 性能得到增强；IR 中 1720 cm-1 处出现吸收峰表明有促进光降解； 晶须碳酸钙/PE 复合材 料的热分解温度由纯 PE 的 370下降到 262， 热稳定性能明显下降，可焚烧性能提高； 复合材料热解程中产生的烷基碎片的最大吸光度由纯 PE 的 0.016 下降到 0. 0079， 可以减 少焚烧过程中有害气体的产生 硫酸钙晶须硫酸钙

10、晶须 硫酸钙晶须是无水硫酸钙的纤维状单晶体，其尺寸稳定，平均长径比为约 80，具有耐 高温、抗化学腐蚀、韧性好、强度高、耐磨耗、气绝缘性好、容易进行表面处理、和橡胶和 塑料等聚合物的亲和力强等优点，而价格却仅为碳化硅晶须的 1/2001/300，因而具有较 强的市场竞争力。 用硫酸钙晶须增强聚丙烯（PP）时，若采用钛酸酯偶联剂处理其表面，或对聚丙烯接枝 马来酸酐，增强效果很佳。现在通过采用合适的掺混工艺、适当的填充比例可以制备出综合 性能优异的硫酸钙晶须增强 PP 材料。 江苏工业学院周超等采用硫酸钙晶须为增强改性剂、 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物 （SBS） 为增韧改性剂、高抗冲聚苯乙烯（H

11、IPS）为基体材料，通过采用熔融混合挤出，制得 HIPS 复合材料。对该复合材料的力学性能、热性能进行测试，研究了硫酸钙晶须用量对 HIPS 复合 材料的力学性能、热性能的影响， 观察了硫酸钙晶须/HIPS 微观结构， 结果表明，硫酸钙 晶须对 HIPS 具有良好的增强作用。 钛酸钾晶须钛酸钾晶须 钛酸钾晶须常见的为四钛酸钾 K2O4TiO2 和六钛酸钾 K2O6TiO2。它具有优良的绝热 性、耐化学药品性、耐磨耗性、低热导率和高红外反射率，高温下导热系数极低、价格相对 较低以及硬度低等特点，可用作绝热材料，电绝缘材料、催化剂载体、过滤材料、摩擦材料 等。此外，表面用 Sb/SnO2 进行导电

12、性处理后，可用作导电材料、离子交换材料和吸附剂、 不过， 其最诱人的应用潜力依然是复合材料的增强。 作为多种高分子材料的补强增韧剂， 钛 酸钾晶须不仅可以明显低改善材料耐磨、防滑及尺寸稳定性等性能，而且由于硬度较低（莫 氏硬度仅为 4） ， 对成型加工设备与模具的磨损也较小。 所制得的制品可以制成齿轮、 轴承、 垫片、阀门等，在飞机、汽车、机器人、仪表、计算机和船舶等领域具有广泛的应用。 目前，钛酸钾晶须用于增强的树脂基体主要有：PEEK、POM、PBT、PA-66、PA-6、酚醛、 特殊尼龙、改性 PPO、PPS、ABS、PVC、PP、PC 以及环氧树脂等。南京林业大学史以俊等 研究了钛酸钾

13、晶须（PTW）对聚四氟乙烯（PTFE）复合材料力学及摩擦学性能的影响，并与 碳纤维（CF）和玻璃纤维（GF）的填充效果进行了比较。结果表明， 加入 PTW 后，PTFE 的 硬度、 冲击强度、 拉伸强度、 弯曲强度、 压缩强度及耐磨性能比纯PTFE 的分别约提高了10%、 30%、 20%、 15%、 20%和 300 倍； PTW/PTFE 的耐磨性能要优于 GF/PTFE 及 CF/PTFE。 SEM 研 究表明，PTW/PTFE 的内部结构比 GF/PTFE 及 CF/PTFE 的均匀致密， 具有显微增强效果； PTW/PTFE 的磨损面比 GF/PTFE 及 CF/PTFE 的要平整，

14、 其转移膜也较 GF/PTFE 及 CF/PTFE 的 更为均匀、连续和致密。 碳化硅晶须碳化硅晶须 碳化硅晶须为立方晶须， 和金刚石同属于一种晶型，是目前已经合成出的晶须中硬度 最高， 模量最大， 抗拉伸强度最大， 耐热温度最高的晶须产品， 分为 型和 型两种形式， 其中 型性能优于 型。 型较 型具有更高的硬度（莫氏硬度达 9.5 以上） ，更好的 韧性和导电性能，抗磨、耐高温，特别耐地震、耐腐蚀、耐辐射，已经在飞机、导弹的外壳 上以及发动机、高温涡轮转子、特种部件上得到应用。 碳化硅是极端各向异性生长的晶体， 是在碳化硅粒子的基础上通过催化剂作用， 沿面 生长的短纤维晶体， 目前生产方法

15、主要有气相反应法和固体材料法两种，其中固体材料法 更为经济，更加适合工业化生产。 日本和美国在碳化硅的合成方面进行了较为系统的研究。 中科院沈阳金属研究所承担国 家“863”高技术项目，采用 SiO2 和炭黑反应的方法合成出碳化硅； 中国矿业大学和中科 院上海硅酸盐研究所也承担了相关项目的研究开发工作， 分别以稻壳为原料和炭黑与 SiO2 为原料合成碳化硅。目前已经形成了分别以炭黑加 SiO2 和稻壳为原料的 2 大列合成工艺， 但目前还处于实验室研究阶段。同碳化硅的生产一样， 其增强复合材料的研究工作也主要 集中在美国和日本， 哈尔滨工业大学、 中科院沈阳金属研究所、 中科院上海硅酸盐研究所

16、、 清华大学等单位也开展了这方面的研究工作，并取得了一定的进展。 硫酸镁晶硫酸镁晶须须 硫酸镁晶须是指水合碱式硫酸镁晶须MgSO45Mg（OH）23H2O，该晶须是白色针 状单晶纤维，其尺寸十分细小， 直径为 0.51.0m， 长度为 2080m，具有十分优异 的物理力学性，如强度高、模量高、电气性能好。同时其膨胀系数与塑料相近，与塑料相容性好， 复合材料表现出优良的物理力学性能。 此外， 其还具有无毒、 发烟量小、 阻燃等特性。 将硫酸镁晶须添加道塑料、 橡胶等基体中制备复合材料时， 晶须不仅能够发挥补强增韧作用， 还可赋予复合材料阻燃性能，达到增强、阻燃双重效果。 以硫酸镁晶须添加增强的热塑树脂基复合材料， 不仅具有很好的外观、优异的刚性、 抗冲击力、弯曲模量和抗损伤能力，而且具有极低的体积收缩性、优异的尺寸精确度和抗热 性。它与其它补强增韧剂相比，作用更为明显，可以在铁路客车、货车、冷藏车上应用于机 车车身、客车和货车车箱或顶棚以及门、窗等部位。在天然木材、木材碎片