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粉体材料的高端形态——晶须型材料的特点及应用
2015年04月13日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:16943
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晶须是指以单晶形式生长的形态类似于纤维或者针状物,尺寸远小于短纤维的须状单晶体。晶须可由金属、氧化物、碳化物、无机盐类、石墨、有机聚合物等多种可结晶原材料,在人为控制下以单晶形式生长而成。由于晶须在结晶时原子结构排列高度有序,故不存在能够削弱晶体的较大缺陷(例如:空洞、位错、结构不完整等晶体缺陷)。这种特性是的晶须强度接近材料原子间价键的理论强度,远超过目前大量使用的各种增强剂。晶须早期的工业化产品价格及其昂贵,从而限制了它的应用。直至较廉价的钛酸钾晶须问世后,晶须的应用才有所突破。之后又有硫酸钙晶须、碳酸钙晶须等晶须材料开发成功,晶须的应用开始普及。


在已合成的近百种晶须中,普及工业化生产的仅SiCSi3N4TiNAl2O3、钛酸钾、硫酸钙、莫来石等少数几种。下面给读者介绍几种常见晶须型粉体材料的特点及其应用。

 

1钛酸钾晶须


近年来钛酸钾晶须在制造成本上取得了较大突破,加之其性能十分优异而愈来愈受到关注。目前,钛酸钾晶须的应用已覆盖复合材料增强剂、摩擦材料、绝缘材料、触媒载体等众多领域。 钛酸钾晶须通常用K2OnTiO2表示其组成,n=12468,它们在结构和性能上差异显著,其中以n=46,即四钛酸钾和六钛酸钾晶须在实用价值最大,四钛酸钾具有良好的化学活性;六钛酸钾具有优良的力学和物理性能、稳定的化学性质、优异的耐腐蚀性、耐热隔热性、耐磨性、润滑性、高的电气绝缘性,还具有红外线反射率高、高温下导热系数极低、硬度低的特点。目前钛酸钾晶须的应用主要表现在以下几方面:


a. 作为增强材料(用纤维增强树脂、水泥、金属、陶瓷中增强纤维);

b. 作为摩擦材料(用作代用纤维和复合纤维型摩擦材料的基材);

c. 作为隔热耐热材料(用作隔热快、耐高温隔热复合树脂涂料、陶瓷 涂料);

d.  其它用途(用作耐碱材料、滤膜、催化剂、传感器材料等);

 

2碳化硅晶须

碳化硅晶须

 

碳化硅晶须是一种很少缺陷的,有一定长径比的单晶纤维,它具有相当好的抗高温性能和很高强度。主要用于需要高温高强应用材质的增韧场合。如:航天材料、高速切削刀具等。目前,有着极高的性能价格比。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α型和β型两种形式,其中β型性能优于α型并具有更高的硬度(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。碳化硅素有晶须之王之称。尤其在汽车、航空航天工业的发动机、壳体等方面具有特别重要的意义。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。

 

3碳酸钙晶须  

 

碳酸钙晶须的直径细小,对塑料起着微观增强效果,用其增强的塑料制品表面光洁度高,能用于精密塑料制品的成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,是一种质优价廉的环保材料。用其增强高分子材料,可将无机晶须的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与高分子材料的韧性相结合,制备出高性能的高分子复合材料。在涂料中碳酸钙晶须作为涂料的增粘剂,能显著提高涂料的黏度,增加触变性,提高涂料的抗开裂、附着力、粘接强度等性能。碳酸钙晶须用于汽车制动器衬片,可以替代石棉制品。通过XD-MSM定速式摩擦试验机研究了石棉、重质碳酸钙和碳酸钙晶须摩擦性能并作了比较。结果表明:当配方含15%碳酸钙晶须时,具有高温摩擦系数稳定、磨损率小、力学性能好等优点,综合性能及性价比高,是石棉的理想取代品。用文石型碳酸钙晶须替代传统方解石型碳酸钙,研究其填充纸张性能的变化,结果表明:同样条件下,文石型碳酸钙晶须较传统方解石型碳酸钙填料有更高的留着率,更小的纸张强度降低率 。

推荐阅读:碳酸钙晶须材料的生产工艺及应用知识简介


 

4硫酸钙晶须


别名:石膏晶须,石膏纤维;英文缩写:CSW;化学式:CaSO4。硫酸钙晶须是以石膏为原材料通过人为控制以单晶形式生长的,具有均匀的横截面、完整的外形、完善的内部结构的纤维状(须状)单晶体。其基本性能指标如下:

平均直径 1-8um 平均长度 30-200um平均长径比 10200 CaSO4含量 ≥98%,白度 ≥98% 熔点 1450℃,密度 2.69ɡ/松散密度 0.1-0.4ɡ/3;抗张强度 20.5Gpa 抗张模量 178 Gpa,莫氏硬度 3-4 PH值 6-8

 

硫酸钙晶须具有高强度、高模量、高韧性、高绝缘性、耐磨耗、耐高温、耐酸碱、抗腐蚀、红外线反射性良好、易于表面处理、易与聚合物复合、无毒等诸多优良的理化性能。硫酸钙晶须集增强纤维和超细无机填料二者的优势于一体,可用于高分子材料、涂料、油漆、摩擦和密封材料中作补强增韧剂或功能型填料;又可直接作为过滤材料、保温材料、耐火隔热材料、红外线反射材料和包覆电线的高绝缘材料。总之,硫酸钙晶须由于其性能优良,价格低廉而具有极好的性能价格比,是一种极有发展前途的无机盐晶须材料。

 

结束语:晶须作为一种新颖的增强材料,具有高强度、耐热、耐磨防腐、减震吸波等诸多特殊性能。能够用于高分子材料、金属和陶瓷的增强,在高性能工程塑料、复合材料、胶黏剂、涂料等领域有着广泛的应用。加强晶须材料的研发,有着明显的经济效益和市场前景。


(粉体圈 作者:梧桐




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