硼酸镁晶须增强材料

硼酸镁晶须增强材料

1.硼酸镁晶须的结构

晶须是以单晶形式生长而成的一类针状、具有一定长径比的晶纤维材料。其直径很小,大约在0.5～2.0μm。晶须中的原子排列高度有序, 强度接近于完整晶体原子价键的理论强度。因此,一般来说,它有良好的机械强度、高强度模量和弹性模量、高硬度等特点,在用于塑料、金属、陶瓷等材料的增强与改性时显示出极佳的物理、化学性能和优异的力学性能,是一种十分理想的复合材料及功能材料的改性填充剂硼酸镁晶须外观是蓬松状白色粉末，在扫描电镜下的形貌是针状单晶体（形貌如图1所示）。从图中可以看出硼酸镁晶须表面光滑、平直，没有粘着物，但有少量晶须粘连团聚现象，从图中我们还可以观察到晶须的形貌差异较大，多数为具有一定长径比的细小棒状，有少数呈粗大的棒状，也有的却相对较短小。这是由于晶核具有各向异性，在硼酸镁晶须的制备过程中，其晶核生长时呈现出明显的择优取向，也就是说表面能较高的晶核表面吸附形核基元的能力要比那些表面能较低的晶核大，高表面能晶核表面便能优先生长，最终形成的晶须外表面为晶体的部分原子密排面。按照不同生长规律长大的晶须也就呈现出不同的形貌。

图1硼酸镁晶须的扫描电镜

2.硼酸镁晶须制备方法

2.1高温固相合成法

高温固相合成法的原理是以氯化镁和硼酸或硼砂为主要原料, 加入NaCl(或CaCl2、KCl)作为助熔剂, 在高于850℃的条件下进行8～10h的高温固相反应制得硼酸镁晶须。其制备工艺过程大致如下:

靳治良等以氯化镁、硼酸为主要原料制备硼酸镁晶须。得到的晶须长度为10～50μm、直径为0.5～2.0μm、含量达99.55%。此法制得的晶须品质好,但对设备要求较高。因为喷雾干燥机要满足相应生产规模的蒸发水量要求,且必须满足料浆粘度要求。此外, 因反应过程中产生的HCI气体, 对反应器会产生腐蚀, 因此要有良好的排气装置。

针对目前高温固相合成法制备的硼酸镁晶须产品长径比低、工艺较复杂的缺点,作者等于2005年开发出一种类溶胶-浸渍混合、高温熔融新方法和新工艺。本工艺以青海吉乃尔盐湖中经酸化制得的硼酸和从该盐湖中结晶出的水氯镁石为原料, 经类溶胶-浸渍法混合,在900℃、10h的条件下合成出长径比达30～50、纯度超过98%的硼酸镁晶须, 其性能达到国际先进水平,并通过了四川省科技成果鉴定(川科鉴[2005]第261号)。该工艺有流程简短、易于控制、收率高、成本低等特点,有利于实现产业化。其所研制的样品用于增强铝基复合材料时,与金属基体的相容性良好,分散均匀,可显著提高铝基合金的机械性能。

2.2微波固相合成法

微波固相合成法的原理是以MgCl2·6H2O和Na2B4O7·10H2O为原料,以NaCl为助溶剂,以强吸收微波辐射的氧化锌为加热介质,在微波辐射作用下发生高温固相反应得到硼酸镁晶须。

与传统的高温固相合成法相比,该法反应速度提高了很多,反应时间只需30min左右,节省了时间和能耗, 而且产物具有均匀、无杂相等特点。但该法必须利用加热介质氧化锌, 否则反应体系无法达到反应所需的温度, 而且反应完毕还需将硼酸镁晶须和加热介质氧化锌分离开来,这就增加了工艺的复杂。

3. 硼酸镁晶须的应用前景及发展趋势

目前,硼酸镁晶须在塑料工业、金属合金行业、航空航天先进复合材料等领域都已经获得广。泛研究与应用,特别是在铝基金属合金材料方面, 硼酸镁晶须与其有很好的相容性。因此应加大对硼酸镁晶须的研究力度,充分利用西部盐湖镁资源制备硼酸镁晶须。这将进一步体现出我国的盐湖资源优势, 也适合我国节约能源, 减少环境污染,倡导科学发展观的要求。未来应该相更环保，节能的方向发展。为了使硼酸镁晶须的作用得到充分发挥，还应继续深入研究硼酸镁晶须的表面改性，综合考虑晶须的改性机理以及晶须与基体间的表面作用，可以尝试采用多种偶联剂进行复配。晶须的长径比是影响晶须作用的关键因素，而晶须复合材料制备过程中，晶须的填充多采用混炼的方法，在混合挤出注射过程中难免造成晶须的折断，降低其长径比，致使晶须复合材料的性能下降。因此，晶须复合材料制备的共混工艺有待完善。