硼酸铝晶须简介

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1、Company LOGO硼酸铝晶须1101716 王琴主要内容晶须简介晶须制备生长机理应用前景未来发展1.晶须简介什么是晶须？什么是硼酸铝晶须？ v 晶须是指在人工控制条件下以单晶形式生长成的一种纤维 ，其直径非常小（微米数量级），不含有通常材料中存在 的缺陷（晶界、位错、空穴等），其原子排列高度有序， 因而其强度接近于完整晶体1的理论值。其机械强度等于 邻接原子间力。 v 硼酸铝晶须 分子式：nAl2O3B2O3 它的种类较多，但常见的3种形态是9Al2O32B2O3 、 2Al2O3B2O3 、Al2O3B2O3 。Al2O3B2O3 存在于天然 矿物中，9Al2O32B2O3 、2Al2

2、O3B2O3 则为人工产品。 由于9Al2O32B2O3 晶须的性能优异，工业化晶须主要指 9Al2O32B2O3 。1.晶须简介v 硼酸铝（ 9Al2O32B2O3 ）是一种针状单晶，晶系、空间群 和晶胞参数等见下表:1.晶须简介硼酸铝晶须 图片1.晶须简介硼酸铝晶须性能指标（企业标准） v 外观：白色针状 长度：5-30um 耐热性：1420-1460v 分子量：1066.88 相对密度：2.90-2.94 拉伸强度：8 Gpa v 直径：0.5-1um 莫氏硬度：7 弹性模量：400 Mpa热膨胀系数：4.2106/1.晶须简介v基本特征： 极高的强度和弹性 优良的耐酸、碱性高熔点、耐热

3、性能较好 近似化学中性 温度膨胀系数低2.晶须制备2.1.烧结法v 烧结法 是将氧化铝和氧化硼的混合物在一定温度下烧结一定时间而得到硼酸铝晶须的方法。用含铝化合物和含硼化合物在A/B=(2-4.5 )/ 1时，加入20-40%重量分数的硫酸盐或碱金属氯化物组成的烧结剂，在900-1300 下反应30min至4h，然后将反应产物水解、过滤、干燥，从而制得质量良好的硼酸铝晶须。2.2.助熔法v 助熔法是在能提供氧化铝和氧化硼的化合物中加入助熔剂来 制备硼酸铝晶须。氧化铝的提供物是能够在反应中转化成氧 化铝的物质，反应中氧化铝全部参加反应，反应完成后不残 留氧化铝，以保证硼酸铝晶须的纯度，这类物质可

4、以是硫酸 铝、硝酸铝、卤化铝、硫酸铝钠(钾)等。氧化硼的提供物是 能够在反应中转化成氧化硼的物质，这类物质可以是氧化硼 、硼酸、硼酸醉、四硼酸钠、焦硼酸钾等。反应中加入助熔 剂的作用主要是用来降低体系的熔融温度，对助熔剂的要求 是其熔融时粘度低，能阻止生成的晶须分解，助熔剂一般可 选用碱金属硫酸盐,卤化物、碳酸盐、硝酸盐等。2.3.高温熔剂法v 高温熔剂法：应用高温熔剂法在1280-1320间，氧化硼和氧 化铝的配比为1/4.5，熔剂加入量为70%的条件下，恒温9h反 应制得硼酸铝晶须，其长径比50100 。v 以玻璃态、粉末态B2O3作为硼源，Al (OH) 3超细粉作为铝源 。按一定的摩尔

5、比计算，称取一定质量的原料,加入适量的熔 剂A ，混合研磨数分钟后，放入刚玉坩埚内，置于Si - C 棒 炉中，加热至1280 左右，恒温一定时间后，冷却至室温后 取出试样。 2.4.水热法v 水热法制备硼酸铝晶须是首先制备硼酸铝凝胶，然后对凝胶 进行水热处理，一般铝盐选择在水中溶解度较大的硫酸铝、 硝酸铝等，硼盐则可以选择硼酸铵、硼砂等。由氧化铝或含 铝化合物、氧化硼或含硼化合物在Al2O3与B2O3的摩尔比为9/1 -1/2.5的条件下，和0.1-10%重量分数的氧化铁先制成硼酸铝 凝胶颗粒，然后加热凝胶颗粒而制得硼酸铝晶须。将铝盐和 硼盐配制成8-10%的浓度，在强力搅拌下生成凝胶，并通

6、过数 次过滤洗涤后，将呈中性的硼酸铝凝胶放入反应釜中，密闭 加热到450 ，同时排放过量的蒸汽，保持压强在35MPa，在 此条件下保压至室温，然后将料浆过滤，用热水洗涤、干燥 得到硼酸铝晶须，晶须直径1-5um，长度20-200um，收率达到 96%。2.5.液相生长法v 液相生长法。以铝盐作铝源，以硼酸作硼源，加适量催化剂，在适当配比下混合，在一定条件下进行化学反应，生成硼酸铝晶须，晶须的直径为1-10um，长度为100-300um，晶须的直径、长度可以根据制备工艺条件进行调整。2.6.熔融法和气相法1)气相法是利用卤化铝蒸汽和氧化硼蒸汽通过水蒸气在高温下反应制取硼酸铝晶须。2)熔融法是将氧

7、化铝和氧化硼在高温下熔融、冷却生成硼酸铝晶须。通过在1200-1600下加热氧化铝、氧化硼和0.1- 10%(重量比)的氧化铁制得高长径比的硼酸铝晶须，在制备过程中Al2O3 /B2O3的摩尔比为9/1-1/2.5。由于气相法在工业生产中操作较困难，而熔融法的制备温度又太高，较难达到要求，工业生产硼酸铝晶须一般很少采用气相法和熔融法。3.生长机理螺旋位错生长机理1958年，由 F.C.Frank提出。该机理适宜于解释液相及气相 中晶须 的生长过程。VLS生长机理20世纪60年代，由Shyne和Milewski提出。该机理适宜于解释 气相中晶须的生长过程，许多有价值的晶须如-Al2O3 、B 、

8、NiBr2、 NiO、 Se、 Si 和SiC等皆以VLS机理生长。其它生长机理晶须毒化诱导生长机理；晶须结构各向异性诱导生长机理； 晶须开裂生长机理；扩散控制生长机理等。3.1.轴向螺旋位错生长机理v 基于晶体螺旋位错生长理论, 人们推测在晶须的轴向尖端也存在着螺旋位错露点头, 显露出的台阶给晶体生长提供了一个能量“优惠区”, 使在很低的过饱和度的条件下, 晶须就能沿轴向生长并能保持边缘的光滑。该机理适用于解释液相及气相中晶须的生长过程。3.2. VLS生长机理v 反应体系中存在的催化剂液滴是气体原料和固体产物的媒介 。气相原料分子在低于二维成核临界过饱和点（P/Pe)crit的 条件下通过

9、气-液界面输入到小液滴中，使小液滴成为含有晶 须气体原料的熔体，当熔体达到一定的过饱和度时析出晶体 并沉积在液滴与基体的界面上。随着气源的连续供给，晶须 连续长出，而将小液滴抬起，直到生长停止，最后小液滴残 留在晶须顶端。基体液相气相气相晶须3.2.VLS生长机理12345在界面处生长成固态晶须蒸气液相晶须气相分子向液滴扩散反应副产物由液滴扩散进入气相气相分子在催化剂液滴上发生多相 化学反应生成晶须新相气相分子或新相通过液滴输送到界面界面3.3.水热法硼酸铝晶须的生长机理v 在研究硼酸铝的生长机理时可以借鉴溶液中晶体的生长方式，溶液中生成晶核后，溶质分子或离子会连续一层层排列上去而形成晶粒，晶

10、体生长第一步为溶质扩散，即待结晶的溶质借扩散穿过靠晶体表面的一个静止液层，由溶液中转移至晶体表面；第二步为表面反应，即达到晶体表面的溶质嵌入晶面，使晶体长大。3.3.水热法硼酸铝晶须的生长机理v 结合溶体中晶须生长的规律和试验中的制备过程以及微观形貌，晶须的生长过程微观示意图如下图所示。硼酸铝晶须的生长过程首先是晶核的生成，在1050左右，出现大量的晶核。根据布拉维法则，面网在垂直方向的生长速度与该面网的面网密度成正比。面网密度小的晶面生长速度快，最终被面网密度大的相邻晶面所淹没。而面网密度越大，相应的晶面间距也就越大。v 水热法制备的硼酸铝晶须的生长机理属于VLS机理，当液相不足时晶须长度方

11、向很难生长，晶须逐渐粗化。3.3.水热法硼酸铝晶须的生长机理4.应用前景v 硼酸铝晶须增强金属复合材料硼酸铝晶须加入金属材料中后，可以提高金属材料的各项性 能，应用于镁合金时， 还可以减少镁合金用作发动机材料时 的宏观缺陷。另外，硼酸铝晶须在液态合金过滤器、压缩机 叶片和航空工具等方面的应用也十分广泛。 v 硼酸铝晶须用于高分子材料硼酸铝晶须对氰酸酯树脂性能的影响， 研究表明硼酸铝晶须 的加入提高了氰酸酯树脂材料的冲击强度和弯曲强度。在此 基础之上，又加入了玻璃纤维，形成了晶须/ 聚合物/ 纤维 复合材料。4.应用前景v 增强陶瓷基复合材料硼酸铝晶须用于增强陶瓷和玻璃可提高材料的冲击强度、弹

12、性模量、硬度和压伸强度等。到目前为止，晶须增韧的陶瓷 材料已成功地应用在切削刀具、耐磨件、宇航及军用零件上 。v 塑料增强材料硼酸铝晶须可以用于各种塑料的增强材料，尤其是用于精密 塑料构件时，其成型体表面非常光洁，对模具磨损小，原因 是其直径小，长度短。与玻璃纤维比较，对微小、复杂形状 的塑料制品的增强作用更明显，而且赋予制品等方向性。 用于塑料的增强材料，当达到30%（重量）含量时，机械强 度可增强一倍以上，而拉伸弹性模量可增大二倍以上。 5.未来发展v 目前，晶须增强的铝、镁基复合材料已在一些领域应用成功 ，并且对晶须增强铝基复合材料的腐蚀行为、热膨胀、超塑 性以及晶须取向等进行了较为广泛的研究，但晶须增强机理 、制备工艺和结构特性尚不是十分明朗，为了进一步提高材 料的性能，降低制造成本，必须加强晶须增强机理、制备工 艺和结构特性等问题的进一步研究，以促进其产业化进程。v 硼酸铝晶须增强塑料复合材料具有许多优异的性能，但在成 型工艺与设备方面还存在一些问题，因此应加强成型工艺研 究(包括复合体系中偶联剂的类型及处理方法)，加强晶须增 强塑料设备的研究，研发出混合效果好、剪切作用低的造粒 与成型设备。Company LOGO2012.4.10