低维材料二.ppt

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1、低维材料（二）低维材料（二）一维材料一维材料赵永男赵永男 教授教授 新型无机材料新型无机材料n一维材料是指各种晶须及纤维材料。一维材料是指各种晶须及纤维材料。n目前最活跃的一维材料有一维纳米材料、目前最活跃的一维材料有一维纳米材料、光导纤维、碳纤维以及碳化硅晶须等。光导纤维、碳纤维以及碳化硅晶须等。n一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制方面有着重要的应用前景，光导纤维是最方面有着重要的应用前景，光导纤维是最有生命力的信息传输材料。有生命力的信息传输材料。n碳纤维是复合材料的主要原料，碳化硅晶碳纤维是复合材料的主要原料，碳化硅晶须是陶瓷基、树脂基、金属基复合材

2、料的须是陶瓷基、树脂基、金属基复合材料的增强体，受到人们的高度重视，并研制出增强体，受到人们的高度重视，并研制出满足微电子学、信息、宇航等领域需要的满足微电子学、信息、宇航等领域需要的各种一维材料。各种一维材料。晶须晶须n晶须是在人工控制条件下，以单晶形式生长晶须是在人工控制条件下，以单晶形式生长成的一种短纤维，其直径非常小成的一种短纤维，其直径非常小(0.1至几微至几微米米)，以致难以容纳大晶体中常出现的内部，以致难以容纳大晶体中常出现的内部缺陷，原子排列高度有序，晶体结构近乎完缺陷，原子排列高度有序，晶体结构近乎完整，不含有晶粒界、亚晶界、位错、空洞等整，不含有晶粒界、亚晶界、位错、空洞等

3、晶体结构缺陷，因而强度接近于完整晶体的晶体结构缺陷，因而强度接近于完整晶体的理论值。理论值。英文名称：英文名称：crystalwhisker历史历史数百年前：银晶须（大英博物馆陈列）数百年前：银晶须（大英博物馆陈列）1948年：铜晶须（贝尔研究所发现，引起年：铜晶须（贝尔研究所发现，引起电路短路）电路短路）最近二十多年：推测出晶须为接近单晶结最近二十多年：推测出晶须为接近单晶结构，而具有非常高的强度与弹性模量，从构，而具有非常高的强度与弹性模量，从而可用于复合材料。而可用于复合材料。硫酸钙硫酸钙碳化硅碳化硅镁盐晶须镁盐晶须钛酸钾钛酸钾晶须硅晶须硅Tetrapod氧化锌氧化锌n多晶纤维与晶须的区

4、别主要是多晶与单晶多晶纤维与晶须的区别主要是多晶与单晶的区别的区别,多晶是由多个单晶晶粒组成的晶体，多晶是由多个单晶晶粒组成的晶体，在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不同，其周期性与规则性也在此处受到破坏。同，其周期性与规则性也在此处受到破坏。n由于晶体结构完整，晶须不仅具有异乎寻由于晶体结构完整，晶须不仅具有异乎寻常的力学性能，而且在电学、光学、磁学、常的力学性能，而且在电学、光学、磁学、铁磁性、介电性、传导性、甚至超导性等铁磁性、介电性、传导性、甚至超导性等方面皆发生显著变化。因此，对晶须的研方面皆发生显著变化。因此，对晶须的研究和开发受到高度重视。究和

5、开发受到高度重视。n20世纪世纪60年代就已开发了近百种晶须实验年代就已开发了近百种晶须实验品，包括金属、氧化物、碳化物、氮化物、品，包括金属、氧化物、碳化物、氮化物、卤化物等。卤化物等。n用晶须增强的复合材料具有优异的耐磨损、用晶须增强的复合材料具有优异的耐磨损、滑动性、高的绝缘性及显著的力学增强性滑动性、高的绝缘性及显著的力学增强性能，成为复合材料领域中的一个重要分支能，成为复合材料领域中的一个重要分支及最为活跃的研究方向之一。及最为活跃的研究方向之一。n有机化合物晶须、金属晶须和陶瓷晶须三有机化合物晶须、金属晶须和陶瓷晶须三类。其中陶瓷基晶须的强度和耐热性均优类。其中陶瓷基晶须的强度和耐

6、热性均优于其他两类，故具有更大的工业应用价值。于其他两类，故具有更大的工业应用价值。晶须的特点晶须的特点n(1)优良的力学性能优良的力学性能n机械强度高。晶须作为细微的单晶体机械强度高。晶须作为细微的单晶体,内部内部结构十分完整。具有非常坚韧的性质结构十分完整。具有非常坚韧的性质,其抗其抗张强度为玻璃纤维的张强度为玻璃纤维的5-10倍倍,比硼纤维有更比硼纤维有更好的韧性。好的韧性。n耐高温性。晶须具有不会引起高温滑移的耐高温性。晶须具有不会引起高温滑移的完整性完整性,温度升高时温度升高时,晶须不分解、不软化晶须不分解、不软化,其强度几乎没有损失。这个特性使其在防其强度几乎没有损失。这个特性使其

7、在防火材料中的应用成为可能。火材料中的应用成为可能。n能弹性地承受较大的应变而无永久变形。试能弹性地承受较大的应变而无永久变形。试验证明，晶须经验证明，晶须经4%的应变还在弹性范围内，的应变还在弹性范围内，不产生永久形变，而块状晶体的弹性变形范不产生永久形变，而块状晶体的弹性变形范围却小于围却小于0.1%。n具有相当大的长径比。晶须的横断面多具有具有相当大的长径比。晶须的横断面多具有六角形、斜方形、三角形或薄带形六角形、斜方形、三角形或薄带形,不同于不同于玻璃纤维或硼纤维具有圆形横断面玻璃纤维或硼纤维具有圆形横断面,大大增大大增加了长径比，其长径比都在加了长径比，其长径比都在30以上，能满足以

8、上，能满足增强塑料、防火板材对长径比增强塑料、防火板材对长径比(大于大于30)的要的要求求,使复合材料获得很高的强度和性能。使复合材料获得很高的强度和性能。n无疲劳效应。晶须没有明显的疲劳特征无疲劳效应。晶须没有明显的疲劳特征,即即使被磨成粉末、切断使被磨成粉末、切断,其强度也不受损失。其强度也不受损失。n(2)良好的相容性良好的相容性n晶须的尺寸细微晶须的尺寸细微,不影响复合材料成型流动不影响复合材料成型流动性，接近于无填充的树脂。晶须可以在高性，接近于无填充的树脂。晶须可以在高分子基体中分布得很均匀分子基体中分布得很均匀,可以使极薄、极可以使极薄、极狭小甚至边角部位都能得到增强填充。狭小甚

9、至边角部位都能得到增强填充。n(3)优良平滑性及化学稳定性优良平滑性及化学稳定性n晶须增强工程塑料膨胀系数及成型收缩率晶须增强工程塑料膨胀系数及成型收缩率小，有极高的尺寸精度和光洁的平滑表面小，有极高的尺寸精度和光洁的平滑表面,远远超过碳纤维和玻璃纤维增强材料制品。远远超过碳纤维和玻璃纤维增强材料制品。n(4)再生性能好再生性能好n用晶须增强的复合材料有良好的重复使用用晶须增强的复合材料有良好的重复使用性。实验表明：添加晶须的复合材料经多性。实验表明：添加晶须的复合材料经多次加工，热稳定性好，力学性能变化也不次加工，热稳定性好，力学性能变化也不大大,再生循环使用性能好。再生循环使用性能好。晶须

10、的生长机制晶须的生长机制n晶须作为一种特殊的细小纤维状的单晶体，晶须作为一种特殊的细小纤维状的单晶体，生长机制有其独特性。通常，晶须的生长生长机制有其独特性。通常，晶须的生长过程包括孕育期、生长期和终止生长期三过程包括孕育期、生长期和终止生长期三个阶段。个阶段。n各种晶须生长机制中，气固机制和气液固各种晶须生长机制中，气固机制和气液固机制是比较常见的两种。同时，晶须的生机制是比较常见的两种。同时，晶须的生长机制与其制备方法之间并不是互不相干、长机制与其制备方法之间并不是互不相干、彼此独立的，而是有着密切的联系。对同彼此独立的，而是有着密切的联系。对同一种生长机制，可能存在着几种制备方法，一种生

11、长机制，可能存在着几种制备方法，对同一种制备方法也可能存在着几种生长对同一种制备方法也可能存在着几种生长机制。机制。晶须的气晶须的气-固生长机制固生长机制n晶须的气晶须的气-固生长机制固生长机制(VS机制机制)又称为位错又称为位错机制，是通过气机制，是通过气-固反应形核并长成晶须的固反应形核并长成晶须的过程。是一种经常采用的晶须生长机制。过程。是一种经常采用的晶须生长机制。n按照按照VS机制，晶须的生长首先要满足如下机制，晶须的生长首先要满足如下几个条件：几个条件：氧化或活化气氛；氧化或活化气氛；含有细含有细小触媒形核剂；小触媒形核剂；位错的柏氏矢量需与晶位错的柏氏矢量需与晶须的轴向平行。须的

12、轴向平行。n符合上述条件后，在晶须的生长温度下触符合上述条件后，在晶须的生长温度下触媒形核剂吸附氧化或活化气氛中的晶须材媒形核剂吸附氧化或活化气氛中的晶须材料组分，使其沉淀析出；随晶核进一步的料组分，使其沉淀析出；随晶核进一步的生长或分解，当达到某一临界值时，晶核生长或分解，当达到某一临界值时，晶核受到应力的作用而稳定地沿着位错的柏氏受到应力的作用而稳定地沿着位错的柏氏矢量方向生长成晶须。矢量方向生长成晶须。n晶须在按晶须在按VS机制生长的实际过程中，除了机制生长的实际过程中，除了化学反应条件和晶须材料的选择对晶须的化学反应条件和晶须材料的选择对晶须的生长有很大的影响外，气相反应物的过饱生长有

13、很大的影响外，气相反应物的过饱和度也起着重要作用。气相反应物的过饱和度也起着重要作用。气相反应物的过饱和度较低时容易生成晶须；过饱和度中等和度较低时容易生成晶须；过饱和度中等时会形成枝状、片状或晶须与晶粒的混合时会形成枝状、片状或晶须与晶粒的混合物；过饱和度过大时则不会生成晶须。因物；过饱和度过大时则不会生成晶须。因此采用该机制制备晶须时，对气相反应物此采用该机制制备晶须时，对气相反应物的过饱和度需严格控制。的过饱和度需严格控制。晶须种类晶须种类制备方法制备方法原料原料生长温度生长温度/CoAl2O3AlF3水解法水解法AlF3,H2O1400-SiC碳热还原法碳热还原法C，高岭土，高岭土13

14、00-1700莫来石莫来石气相法气相法Al2O3,AlF31150-1700莫来石莫来石溶胶溶胶-凝胶法凝胶法铝硅干凝胶，铝硅干凝胶，AlF31100-1250莫来石莫来石热处理法热处理法铝硅玻璃，铝硅玻璃，AlF31250Sn自发反应自发反应Sn室温室温h-BN热处理法热处理法h-BN，N21500-2100按按VS机制生长的部分晶须机制生长的部分晶须晶须的气晶须的气-液液-固生长机制固生长机制(VLS)n与与VS机制不同，气机制不同，气-液液-固生长机制固生长机制(VLS机机制，制，V代表气体原料，代表气体原料，L为液体触媒，为液体触媒，S为固为固体晶须体晶须)认为，除反应生成的晶须材料外

15、，认为，除反应生成的晶须材料外，在基底上存在的触媒对晶须的生长起着关在基底上存在的触媒对晶须的生长起着关键的作用。合适的触煤能够与体系中的其键的作用。合适的触煤能够与体系中的其他组分形成低熔共晶，在晶须生长的温度他组分形成低熔共晶，在晶须生长的温度下容易形成触煤液滴；触媒液滴吸收气相下容易形成触煤液滴；触媒液滴吸收气相晶须材料反应组分，当晶须材料组分在液晶须材料反应组分，当晶须材料组分在液相中的溶解度达到饱和后，就会在基底的相中的溶解度达到饱和后，就会在基底的LS界面沉积、析出并最后长大成晶须。界面沉积、析出并最后长大成晶须。气体气体液体液体固体固体气体气体气体气体VLS生长晶须示意图生长晶须

16、示意图n利用利用VLS机制制备晶须时，由于液体对气体机制制备晶须时，由于液体对气体的容纳系数比固体对气体的容纳系数高、触的容纳系数比固体对气体的容纳系数高、触媒形成的低熔共晶液滴能使晶须的生长激活媒形成的低熔共晶液滴能使晶须的生长激活能大幅度降低，因此，通常情况下晶须的生能大幅度降低，因此，通常情况下晶须的生长速率比采用长速率比采用VS机制的晶须生长速率要快，机制的晶须生长速率要快，并且晶须的生长温度要低得多。并且晶须的生长温度要低得多。n如果能够根据晶须生长要求选取合适的组成如果能够根据晶须生长要求选取合适的组成和性能的低熔共晶的触媒，以及有利于晶须和性能的低熔共晶的触媒，以及有利于晶须形核

17、并长大的基底，那么，通过控制低熔共形核并长大的基底，那么，通过控制低熔共晶触媒液滴位置、类型、大小和化学组成等晶触媒液滴位置、类型、大小和化学组成等条件可以较方便地制备各种形状、各种直径、条件可以较方便地制备各种形状、各种直径、多种类型和不同性能的晶须。多种类型和不同性能的晶须。nVLS机制是晶须生长的最重要机制。许多有机制是晶须生长的最重要机制。许多有价值的晶须，特别是陶瓷类晶须的生长几价值的晶须，特别是陶瓷类晶须的生长几乎都遵循乎都遵循VLS方式。因此，方式。因此，VLS机制成为目机制成为目前许多商品晶须制备的重要理论基础而被前许多商品晶须制备的重要理论基础而被广泛采用。广泛采用。晶须的其

18、它生长机制晶须的其它生长机制n通过液固反应生成晶须的液通过液固反应生成晶须的液-固固(LS)机制和机制和固固-液液-固生长机制固生长机制(SLS机制机制)，这是两种新，这是两种新的晶须生长机制，其理论尚未完善，但已的晶须生长机制，其理论尚未完善，但已引起了注意。引起了注意。n因为较其他生长机制而言，采用因为较其他生长机制而言，采用LS机制和机制和SLS机制的工艺相对简单、操作方便；同时，机制的工艺相对简单、操作方便；同时，LS机制和机制和SLS机制极有可能成为原位合成机制极有可能成为原位合成新型复合材料的新路线。新型复合材料的新路线。晶须的制备方法晶须的制备方法n晶须可采用化学分解或电解的方法

19、从过饱和晶须可采用化学分解或电解的方法从过饱和的气体、液体、熔体中生长，也可从固体中的气体、液体、熔体中生长，也可从固体中生长，即通常所指的气相法、液相法和固相生长，即通常所指的气相法、液相法和固相法。法。n气相法中又分为蒸发气相法中又分为蒸发-凝聚法和化学气相法，凝聚法和化学气相法，最重要的方法。最重要的方法。n液相法通常包括低温蒸发、电解、晶化、添液相法通常包括低温蒸发、电解、晶化、添加剂、化学沉淀、胶体和高温熔体等方法。加剂、化学沉淀、胶体和高温熔体等方法。n固相法包括应力诱导和析出法。固相法包括应力诱导和析出法。n按照晶须生长状况可分为三个级别：按照晶须生长状况可分为三个级别：生生长单

20、一材料的晶须；长单一材料的晶须；在单晶基体上沿某在单晶基体上沿某结晶学取向控制生长；结晶学取向控制生长；在基体上控制生在基体上控制生长出具有一定直径、高度、密度和排列的长出具有一定直径、高度、密度和排列的晶须。晶须。n通常作为复合材料增强体的晶须，只需要通常作为复合材料增强体的晶须，只需要第一级较简单水平。对于某些特殊用途的第一级较简单水平。对于某些特殊用途的半导体材料才需要二、三级生长水平。半导体材料才需要二、三级生长水平。n现已从现已从100种以上的材料制备出相应的晶须，种以上的材料制备出相应的晶须，其中包括金属、氧化物、碳化物、卤化物、其中包括金属、氧化物、碳化物、卤化物、氮化物、石墨以

21、及有机化合物。氮化物、石墨以及有机化合物。按材料种类划分，可分为如下几种：按材料种类划分，可分为如下几种：n金属晶须的制备：金属晶须的制备：n一种是金属盐的氢还原法，所选择的最佳一种是金属盐的氢还原法，所选择的最佳还原温度接近或稍高于原料金属的熔点。还原温度接近或稍高于原料金属的熔点。多数金属晶须如镍、铜、铁及其合金都采多数金属晶须如镍、铜、铁及其合金都采用此法制备。用此法制备。n另一种是利用金属的蒸发和凝聚制备晶须。另一种是利用金属的蒸发和凝聚制备晶须。先将金属在高温气化，然后把气相金属导先将金属在高温气化，然后把气相金属导至温度较低的生长区，以低的过饱和条件至温度较低的生长区，以低的过饱和

22、条件凝聚并生长成晶须。此法常用于熔点较低凝聚并生长成晶须。此法常用于熔点较低的金属，如锌、镉等金属晶须的制备。的金属，如锌、镉等金属晶须的制备。氧化物晶须的制备氧化物晶须的制备n最简单的方法为蒸气传递法：即将金属在潮最简单的方法为蒸气传递法：即将金属在潮湿氢气、惰性气体或空气中加热、使其氧化，湿氢气、惰性气体或空气中加热、使其氧化，在炉子的较低温部位沉积出晶须，如在炉子的较低温部位沉积出晶须，如A12O3、MgO晶须的制备。晶须的制备。n而经常采用的方法是化学气相生长法：通过而经常采用的方法是化学气相生长法：通过气态原料或由固态原料转化的气体中间物的气态原料或由固态原料转化的气体中间物的化学反

23、应，生成固相晶须。晶须的形核常发化学反应，生成固相晶须。晶须的形核常发生在所引入的杂质热力学条件的化学反应及生在所引入的杂质热力学条件的化学反应及适宜晶体形核的核源和微粒上或适宜晶体形核的核源和微粒上或VLS液滴中。液滴中。该法的关键是选择满足触媒介质。该法的关键是选择满足触媒介质。其它化合物晶须的制备其它化合物晶须的制备n在诸多晶须材料中，最有实用价值的是高温在诸多晶须材料中，最有实用价值的是高温陶瓷材料的晶须，如陶瓷材料的晶须，如SiC、Si3N4、TiN、TiB2、AlN等。这类化合物晶须通常采用化学气相等。这类化合物晶须通常采用化学气相法制备，并且按法制备，并且按VLS机制生长。在所有

24、陶瓷机制生长。在所有陶瓷质晶须中，碳化硅以其高强度、高硬度、高质晶须中，碳化硅以其高强度、高硬度、高质量、良好的化学稳定性、耐磨耐腐蚀、抗质量、良好的化学稳定性、耐磨耐腐蚀、抗高温氧化性等优良性能，且易于与陶瓷、金高温氧化性等优良性能，且易于与陶瓷、金属等基体复合而受到人们的青睐属等基体复合而受到人们的青睐晶须的应用晶须的应用n陶瓷基复合材料：晶须增韧陶瓷复合材料同时陶瓷基复合材料：晶须增韧陶瓷复合材料同时存在晶须拨出、裂纹偏转和裂纹桥联三种效存在晶须拨出、裂纹偏转和裂纹桥联三种效果，已成功应用在切削刀具、耐磨件、宇航果，已成功应用在切削刀具、耐磨件、宇航及军用零件上。及军用零件上。n金属基复

25、合材料：金属或合金为基体与各种增金属基复合材料：金属或合金为基体与各种增强材料复合而制得的复合材料。高强度、高强材料复合而制得的复合材料。高强度、高模量、耐高温、不燃、不吸潮、导热导电性模量、耐高温、不燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射。航空航天用高温材料，用作飞好、抗辐射。航空航天用高温材料，用作飞机涡轮发动机和火箭发动机热区和超音速飞机涡轮发动机和火箭发动机热区和超音速飞机的表面材料。晶须在金属复合材料中主要机的表面材料。晶须在金属复合材料中主要起强化作用，会使金属材料得到良好的耐磨起强化作用，会使金属材料得到良好的耐磨性和较低的膨胀率。性和较低的膨胀率。n高分子材料改性高分子材料改性n功能

26、复合材料功能复合材料n阻燃防火材料阻燃防火材料n用于造纸、水泥改性、肥料的缓释剂、沥用于造纸、水泥改性、肥料的缓释剂、沥青改性等青改性等n取代石棉取代石棉n航空和航天领域：金属基和树脂基的晶须航空和航天领域：金属基和树脂基的晶须复合材料由于质量轻、比强度高，可用作复合材料由于质量轻、比强度高，可用作直升飞机的旋翼、机翼、尾翼、空间壳体、直升飞机的旋翼、机翼、尾翼、空间壳体、飞机起落架及其他宇宙航空部件。飞机起落架及其他宇宙航空部件。n建筑工业：用晶须增强塑料，可以获得截建筑工业：用晶须增强塑料，可以获得截面极薄、抗张强度和破坏耐力很高的构件。面极薄、抗张强度和破坏耐力很高的构件。n机械工业：陶

27、瓷基晶须复合材料机械工业：陶瓷基晶须复合材料SiC/Al2O3已用作切削刀具，在金属基耐热合金加工已用作切削刀具，在金属基耐热合金加工中发挥作用；塑料基晶须复合材料可用作中发挥作用；塑料基晶须复合材料可用作零部件的黏结接头、并局部增强零件中应零部件的黏结接头、并局部增强零件中应力集中、承载力大的关键部位、间隙增强力集中、承载力大的关键部位、间隙增强和硬化表面等。和硬化表面等。n汽车工业：玻璃基晶须复合材料汽车工业：玻璃基晶须复合材料SiC/SiO2已用作汽车热交换器的支管内衬，发动机已用作汽车热交换器的支管内衬，发动机活塞的耐磨部位已采用活塞的耐磨部位已采用SiC/Al材料，大大提材料，大大提

28、高了使用寿命。正在开发晶须塑料复合材高了使用寿命。正在开发晶须塑料复合材料的汽车车身基本构件。料的汽车车身基本构件。n化学工业：已开发出晶须纸、晶须布和各化学工业：已开发出晶须纸、晶须布和各种过滤器，晶须增强橡胶也在研究中。种过滤器，晶须增强橡胶也在研究中。n生物医学材料：晶须复合材料已试用于牙生物医学材料：晶须复合材料已试用于牙齿、骨路等。齿、骨路等。n日用工业：塑料基晶须增强材料已制造出日用工业：塑料基晶须增强材料已制造出高尔夫球杆、钓鱼竿等。高尔夫球杆、钓鱼竿等。常用的晶须材料常用的晶须材料n碳酸钙晶须：方解石、文石型和球霞石型等碳酸钙晶须：方解石、文石型和球霞石型等多种结构类型。文石型

29、碳酸钙晶须是近年出多种结构类型。文石型碳酸钙晶须是近年出现的一种新型针状材料现的一种新型针状材料,弥补了弥补了SiC、钛酸钾、钛酸钾晶须成本较高的弱点，具有白色度高、填充晶须成本较高的弱点，具有白色度高、填充量大的优点，在日用塑料等领域大量使用。量大的优点，在日用塑料等领域大量使用。文石型碳酸钙晶须具有强度高、模量高、耐文石型碳酸钙晶须具有强度高、模量高、耐热与隔热性好等优良特性。与塑料复合时与热与隔热性好等优良特性。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，制品表面光滑和耐磨性能，提高力学性能，制品表面光滑和耐磨性好，广泛应

30、用于汽车、塑料、电气部件制性好，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。造、高光洁度结构部件制造等领域。n硫酸钙晶须：无水硫酸钙的纤维状单晶体硫酸钙晶须：无水硫酸钙的纤维状单晶体,其尺寸稳定其尺寸稳定,平均长径比为约平均长径比为约80,具有耐高具有耐高温、抗化学腐蚀、韧性好、强度高、耐磨温、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、对耗、气绝缘性好、容易进行表面处理、对橡胶和塑料等聚合物的亲和力强等优点橡胶和塑料等聚合物的亲和力强等优点,而而价格却仅为碳化硅晶须的价格却仅为碳化硅晶须的1/2001/300,因因而具有较强的市场竞争力。而具有较强的

31、市场竞争力。n氧化锌晶须氧化锌晶须(ZnO)：针状晶须和立体四针状：针状晶须和立体四针状晶须。前者与其他针状晶须一样晶须。前者与其他针状晶须一样,主要用作主要用作复合材料的增强剂；后者因为结构独特，除复合材料的增强剂；后者因为结构独特，除用于增强外用于增强外,还可用于制备功能性复合材料。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可各向同性地改善材料的力学性能,如抗拉、如抗拉、抗弯曲和耐磨性能抗弯曲和耐磨性能;同时由于同时由于ZnO的耐高温的耐高温性、导热性和低膨胀系数性、导热性和低膨胀系数,能提高材料在高

32、能提高材料在高温下的化学和尺寸稳定性。温下的化学和尺寸稳定性。n硼酸镁晶须：焦硼酸镁晶须，硼酸镁晶须：焦硼酸镁晶须，Mg2B2O5。它的。它的价格仅是碳化硅晶须的价格仅是碳化硅晶须的1/20-1/30,是复合材料是复合材料最有希望广泛应用的晶须之一。具有优异的力最有希望广泛应用的晶须之一。具有优异的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能等优点学性能、耐热性能、耐腐蚀性能等优点,广泛广泛用在铝、镁、合金及工程塑料中。不仅在增强用在铝、镁、合金及工程塑料中。不仅在增强复合材料时表现出良好的增强性能，其轻质、复合材料时表现出良好的增强性能，其轻质、高韧、耐磨、耐腐蚀等特点，可以应用于如发高韧、耐磨、耐腐蚀等

33、特点，可以应用于如发动机活塞、连杆、压缩机汽缸、汽车刹车片和动机活塞、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、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。轴承、拉锁及体育用品等耐磨部件。n增强塑料方面增强塑料方面,硼酸镁晶须比钛酸钾晶须具有硼酸镁晶须比钛酸钾晶须具有更好的性能更好的性能,n硼酸铝晶须：人工控制得到的针状单晶晶须，硼酸铝晶须：人工控制得到的针状单晶晶须，正交系结构，由正交系结构，由Al2O3与与B2O3以一定的比例结合以一定的比例结合得到，一般式为得到，一般式为nAl2O3mB2O3。高的弹性模量、。高的弹性模量、良好

34、的机械强度；耐热性、耐化学药品性、耐良好的机械强度；耐热性、耐化学药品性、耐酸性、电绝缘性、中子吸收性能、与金属共价酸性、电绝缘性、中子吸收性能、与金属共价性等特点，可用于绝热、耐热和耐腐材料，以性等特点，可用于绝热、耐热和耐腐材料，以及热塑性树脂、热固性树脂、水泥、陶瓷和金及热塑性树脂、热固性树脂、水泥、陶瓷和金属的补强剂。价格低，碳化硅晶须的属的补强剂。价格低，碳化硅晶须的1/10-1/30，市场潜力很大，用于轻金属合金、陶瓷材料、，市场潜力很大，用于轻金属合金、陶瓷材料、树脂基复合材料及涂料等的增强方面。树脂基复合材料及涂料等的增强方面。n增强高分子材料是研究热点之一，制得的复合增强高分

35、子材料是研究热点之一，制得的复合材料具有优异的强度、刚度、耐磨性、耐冲击材料具有优异的强度、刚度、耐磨性、耐冲击性及润滑性能。性及润滑性能。n钛酸钾晶须：钛酸钾晶须：K2OnTiO2，人工矿物，人工矿物，n=2,4时为层状结构，时为层状结构，n=6,8时为孔道式结构，常时为孔道式结构，常见的为四钛酸钾见的为四钛酸钾K2O4TiO2和六钛酸钾和六钛酸钾K2O6TiO2。制备方法有烧结法、熔融法、。制备方法有烧结法、熔融法、助溶剂法、水热法等。助溶剂法、水热法等。n具有优良的绝热性、耐化学药品性、耐磨耗具有优良的绝热性、耐化学药品性、耐磨耗性、低热导率和高红外反射率，高温下导热性、低热导率和高红外

36、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，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、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。用过滤材料、摩擦材料等。用Sb/SnO2进行导电进行导电性处理后，可用作导电材料、离子交换材料性处理后，可用作导电材料、离子交换材料和吸附剂。和吸附剂。n其最诱人的应用潜力是复合材料的增强。其最诱人的应用潜力是复合材料的增强。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

37、硬度较滑及尺寸稳定性等性能，而且由于硬度较低低(莫氏硬度仅为莫氏硬度仅为4)，对成型加工设备与模，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、阀门等齿轮、轴承、垫片、阀门等,在飞机、汽车、在飞机、汽车、机器人、仪表、计算机和船舶等领域具有机器人、仪表、计算机和船舶等领域具有广泛的应用。广泛的应用。n碳化硅晶须：立方晶须，和金刚石同构，是碳化硅晶须：立方晶须，和金刚石同构，是晶须中硬度最高，模量最大，抗拉伸强度最晶须中硬度最高，模量最大，抗拉伸强度最大，耐热温度最高的晶须产品，有大，耐热温度最高的晶须产品，有和和型两型两种形式，种形

38、式，型具有更高的硬度型具有更高的硬度(莫氏硬度达莫氏硬度达9.5以上以上)，更好的韧性和导电性能，抗磨、耐高，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。转子、特种部件上得到应用。n碳化硅是极端各向异性生长的晶体，是在碳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，生产方法主要有气相反应长的短纤维晶体，生产方法主要有气相反应法和固体材料法两种法和固

39、体材料法两种,其中固体材料法更为经其中固体材料法更为经济济,更加适合工化生产。更加适合工化生产。n硫酸镁晶须：硫酸镁晶须：MgSO45Mg(OH)23H2O，水，水合碱式硫酸镁，白色针状单晶纤维，直径合碱式硫酸镁，白色针状单晶纤维，直径0.5-1.0m，长度为，长度为20-80m，具有十分优异，具有十分优异的物理力学性，如强度高、模量高、电气性的物理力学性，如强度高、模量高、电气性能好。其膨胀系数与塑料相近，与塑料相容能好。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。性好，复合材料表现出优良的物理力学性能。还具有无毒、发烟量小、阻燃等特性。将硫还具有无毒、发烟量小、

40、阻燃等特性。将硫酸镁晶须添加到塑料、橡胶等基体中制备复酸镁晶须添加到塑料、橡胶等基体中制备复合材料时，可以达到增强、阻燃双重效果。合材料时，可以达到增强、阻燃双重效果。n硫酸镁晶须增强的热塑树脂基复合材料，硫酸镁晶须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极低的体积收缩性、优异的尺寸精确度和抗热性。与其它补强增韧剂相比，作用更抗热性。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、冷藏车为明显，可以在铁路客车、货车、冷藏

41、车上应用于机车车身、客车和货车车箱或顶上应用于机车车身、客车和货车车箱或顶棚以及门、窗等部位。棚以及门、窗等部位。n木材的增强、阻燃，肥料的缓释剂木材的增强、阻燃，肥料的缓释剂n无机晶须作为一种新型的增强材料，具有高强无机晶须作为一种新型的增强材料，具有高强度、耐热、耐磨、防腐蚀、导电、绝缘、减振、度、耐热、耐磨、防腐蚀、导电、绝缘、减振、阻尼、吸波、阻燃等许多特殊的优点和功能。阻尼、吸波、阻燃等许多特殊的优点和功能。可用于热固性树脂、热塑性树脂、橡胶等聚合可用于热固性树脂、热塑性树脂、橡胶等聚合物中。能制造出高性能的工程塑料、复合材料、物中。能制造出高性能的工程塑料、复合材料、胶粘剂以及涂料

42、等。胶粘剂以及涂料等。n填充于聚合物中，可能获得真正意义上的聚合填充于聚合物中，可能获得真正意义上的聚合物物/晶须复合物，可将晶须的刚性、尺寸稳定晶须复合物，可将晶须的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与高分子材料的韧性相结合，制性和热稳定性与高分子材料的韧性相结合，制造出高新技术所需的材料，开辟、扩大高分子造出高新技术所需的材料，开辟、扩大高分子材料的应用范围，这一领域已成为国内外研究材料的应用范围，这一领域已成为国内外研究的热点的热点,具有广阔的应用和市场前景。具有广阔的应用和市场前景。无机纤维无机纤维(InorganicFiber)n以矿物质为原料制成的化学纤维。主要品以矿物质为原料制成的化学纤

43、维。主要品种有玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、种有玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维和金属纤维等。陶瓷纤维和金属纤维等。n一维材料的无机纤维的开发应用特别活跃，一维材料的无机纤维的开发应用特别活跃，主要是复合材料需要具有优异物理、化学主要是复合材料需要具有优异物理、化学性能的无机纤维。光通信需要持殊的玻璃性能的无机纤维。光通信需要持殊的玻璃纤维、无机纤维。因而刺激了各种无机纤纤维、无机纤维。因而刺激了各种无机纤维的研究、开发和应用。维的研究、开发和应用。n目前最活跃的一维材料有光导纤维和碳纤目前最活跃的一维材料有光导纤维和碳纤维。维。无机纤维的特性无机纤维的特性单纤维特性单纤维特性显微结

44、构特性显微结构特性化合物特性化合物特性高强度高强度绝热性绝热性耐热耐熔融金属性耐热耐熔融金属性高弹性高弹性吸音性吸音性耐磨性、离子交换性耐磨性、离子交换性小伸缩率小伸缩率防震性防震性硬度、难燃性硬度、难燃性可绕性可绕性吸附性吸附性耐腐蚀、润滑性耐腐蚀、润滑性方向性方向性过滤性过滤性耐候性、磁性耐候性、磁性透气性透气性催化性、生物适应性催化性、生物适应性缓冲性缓冲性绝缘性、射线屏蔽性绝缘性、射线屏蔽性高表面积性高表面积性导电性、中子吸收性导电性、中子吸收性透光性透光性制造方法（包括晶须制备）制造方法（包括晶须制备）分类分类方法方法实例实例熔融法熔融法（结晶）拉丝法纺丝（结晶）拉丝法纺丝蓝宝石，硅

45、石，氧化铝蓝宝石，硅石，氧化铝-硅，金属纤维硅，金属纤维变成法变成法吹毛分绒法吹毛分绒法氧化铝氧化铝-硅，玻璃硅，玻璃抽取法抽取法硅硅反应法反应法氮化硼氮化硼蒸镀法蒸镀法中心线法中心线法碳化硅，硼碳化硅，硼先质烧成法先质烧成法压入法压入法氧化锆，氧化铝氧化锆，氧化铝前驱聚合法前驱聚合法氧化铝，碳化硅氧化铝，碳化硅固相法固相法直接反应法直接反应法碳化硅晶须，钛酸钾碳化硅晶须，钛酸钾液相法液相法助溶剂法助溶剂法钛酸钾钛酸钾水热法水热法钛酸钾钛酸钾气相法气相法气相反应法气相反应法各酸晶须各酸晶须气相析出法气相析出法金属晶须金属晶须机械法机械法拉丝法拉丝法不锈钢纤维，其他金属纤维不锈钢纤维，其他金属纤

46、维高频振动法高频振动法不锈钢纤维，其他金属纤维不锈钢纤维，其他金属纤维无机纤维分类无机纤维分类 无机纤维一般按结构分类见表无机纤维一般按结构分类见表来源来源 结构结构 纤维纤维 名称名称天然的天然的 多晶多晶单晶单晶 石棉石棉合成的合成的 无定形无定形 玻璃玻璃玻璃纤维玻璃纤维矿渣矿渣矿物纤维矿物纤维岩石岩石陶瓷陶瓷石英石英石英玻璃石英玻璃多晶多晶 硼硼多晶无机纤维多晶无机纤维 碳化硅碳化硅氮化硼氮化硼碳化硼碳化硼 氧化铝氧化铝氧化锆氧化锆钢、铝、钨钢、铝、钨金属纤维金属纤维碳、石墨碳、石墨碳纤维碳纤维单晶单晶 金刚砂金刚砂碳化硅碳化硅单晶无机纤维和须晶单晶无机纤维和须晶六钛酸钾六钛酸钾n玻璃

47、纤维：用玻璃熔体拉制成的纤维。主玻璃纤维：用玻璃熔体拉制成的纤维。主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙，也要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙，也可以因改性需要加入一些其他成分。可以因改性需要加入一些其他成分。n玻璃纤维又分硅酸盐玻璃纤维和硼硅酸盐玻璃纤维又分硅酸盐玻璃纤维和硼硅酸盐玻璃纤维两大类。玻璃纤维两大类。n硅酸盐玻璃纤维根据特性又分为：无碱电硅酸盐玻璃纤维根据特性又分为：无碱电绝缘玻璃（绝缘玻璃（E玻璃）、碱玻璃（玻璃）、碱玻璃（A玻璃）、玻璃）、耐化学玻璃（耐化学玻璃（C玻璃）、高强玻璃（玻璃）、高强玻璃（S玻璃）玻璃）、含钻玻璃、含钻玻璃(L玻璃玻璃)、高弹性模量玻璃（、高弹性模量玻璃

48、（M玻璃）和低介电玻璃玻璃）和低介电玻璃(D玻璃玻璃)等。等。玻璃纤维的发展历史玻璃纤维的发展历史早早在在20世世纪纪60年年代代，玻玻璃璃纤纤维维就就在在飞飞机机上上获获得得了了应应用用，但但由由于于当当时时的的价价格格昂昂贵贵，工工艺艺性性能能欠欠佳佳等等原原因因，未未能能获获得得进进一一步步的的发发展展和和重重视视。后后来来，随随着着技技术术的的改改进进和和应应用用领领域域的的扩扩大大，玻玻璃璃纤纤维维越越来来越越多多地地用用于于军军事事目目的的，特特别别是是航航天天、航航空空工工业业，约约占占航航天天、航航空空用用的的增增强强纤纤维维的的67.7%。随随后后，其其应应用用范范围围日日益

49、益扩扩大大，如如体体育育器器具具、建建筑筑构构件件、轻轻工工制制品品、化化工工管管道道、汽汽车车工工业业、医医疗疗器器械械、舟舟艇艇船船舰舰等等都都已已普普遍遍采采用用和和积积极极普普及及玻玻璃璃纤纤维维极极其其复复合合材材料料。20世世纪纪80年年代以来，其年均增长率高达代以来，其年均增长率高达10%左右。左右。玻璃一般人的观念为质硬易碎物体，并不玻璃一般人的观念为质硬易碎物体，并不适于作为结构用材，但如把其抽成丝后，适于作为结构用材，但如把其抽成丝后，则其强度大为增加且具有柔软性，故配合则其强度大为增加且具有柔软性，故配合树脂赋予形状以后终于可以成为优良的结树脂赋予形状以后终于可以成为优良

50、的结构用材。玻璃纤维随其直径变小其强度增构用材。玻璃纤维随其直径变小其强度增高。作为补强材玻璃纤维具有以下之特点，高。作为补强材玻璃纤维具有以下之特点，这些特点使玻璃纤维之使用远较其他种类这些特点使玻璃纤维之使用远较其他种类纤维来得广泛，发展速度亦遥遥领先。纤维来得广泛，发展速度亦遥遥领先。玻璃纤维特性玻璃纤维特性n(1)拉伸强度高，伸长小拉伸强度高，伸长小(3%)。n(2)弹性系数高，刚性佳。弹性系数高，刚性佳。n(3)弹性限度内伸长量大，拉伸强度高，吸收冲击能弹性限度内伸长量大，拉伸强度高，吸收冲击能量大。量大。n(4)为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳。为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳。n