第三章第五节 晶须(Whisker)

晶须不仅具有优异的力学性能， 晶须不仅具有优异的力学性能，而且许多 晶须具有各种特殊性能， 晶须具有各种特殊性能，可用来制备各种性能 优异的功能复合材料。 优异的功能复合材料。 晶须的成本较高，影响其应用。目前已开 晶须的成本较高，影响其应用。 发出许多低成本晶须， 发出许多低成本晶须，如K2Ti 6O13等。另外晶 须在基体材料中的分散工艺也是目前需要解决 的问题之一。 的问题之一。
第五节 填料
10.1 填料的种类和作用 10.1.1 种类 10.1.2 作用 填料/ 10.2 填料/聚合物复合材料的制备方法
有机填料
化学组成
无机填料 合成填料
来 源
填 料 的 分 类
天然填料 粒状 片状
外观形态
纤维状 中空微珠 增强剂
填料功能
填充剂
返回
填料的作用
• 增量作用： 增量作用：
降 价格； 价格；
• 改性作用： 改性作用：
显 改 机械 ， ， 。
活性填料： 活性填料：起补强作用，可提高制品性能
可相互转化
惰性填料： 惰性填料：起稀释作用，降低了制品强度 返回
聚合物/ 聚合物/填料复合材料的制备方法
• 传统
备
熔融共混 造粒
•
备
分散
填 料
单 体
聚 合
返回
粉体材料的特性要求
• • • • •
a 高纯 b 状 c 严 团 d结 态 e 细
颗粒（ 颗粒（Particle） ）
具有高强度、高模量、耐热、耐磨、 具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温 的陶瓷和石墨等非金属颗粒，加入到基体材料中 的陶瓷和石墨等非金属颗粒， 起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。 起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。 其成本低，易于批量生产。 其成本低，易于批量生产。
。T-ZnO 须具 ， 长 维空间 韧 复 导 光区具 规
对 2％ 3 为5．78％，这
SiC晶须微观形貌 SiC晶须微观形貌
六钛酸钾晶须以其优良的隔热性能、良好的红外线反射特点和高温吸音特性而备受青睐。
•
钙
须：
晶须的制备方法有：化学气相沉积（ 晶须的制备方法有：化学气相沉积（CVD）法、 ） 溶胶-凝胶法、气液固法、液相生长法、 溶胶 凝胶法、气液固法、液相生长法、固相生 凝胶法 长法和原位生长法等。 长法和原位生长法等。 制备陶瓷晶须经常采用CVD法。 法 制备陶瓷晶须经常采用
VLS（气液固） 晶须的过程是： VLS（气液固）法制备 SiC 晶须的过程是： 在预选高温将触媒固体颗粒（ 30µ 在预选高温将触媒固体颗粒（∼30µm）熔化成 液态触媒球，通入气相源(H SiO)， 液态触媒球，通入气相源(H2、CH4、SiO)，气相中 的碳、 的碳、硅原子被液球吸收溶解形成过饱和的碳硅溶 液，以SiC的形式沉积在支撑衬底上。沉积不断进 SiC的形式沉积在支撑衬底上。 的形式沉积在支撑衬底上 行，晶须不断生长，触媒球被生长着的晶须抬起， 晶须不断生长，触媒球被生长着的晶须抬起， 继续吸收、溶解和沉积。 继续吸收、溶解和沉积。
即通过气体原料在高温下反应，并沉积在衬底上 即通过气体原料在高温下反应， 而长成晶须。 而长成晶须。
e.g. CVD 法制备 SiC 晶须的基本反应式为： 晶须的基本反应式为：
SiC↓ HCl（ ） CH3 SiCl3（g） + H2 → SiC↓ + HCl（g） ） CVD 法制备难溶金属氮化物和碳化物的基本 反应式为： 反应式为： 2MCl4（g）+ 4H2 +N2 = 2MN（s）↓+ 8HCl（g） 8HCl（ ） ） （） MCl4（g）+ CH2 = MC（s）↓ + 4HCl（g） 4HCl（ ） ） （）
另外， 另外，还有一种颗粒增强体称为延性颗粒增 强体（ ），主要为 强体（Ductile Particle Reinforcement），主要为 ）， 金属颗粒， 金属颗粒，一般是加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基 体中起到增韧作用。如Al2O3中加入Al、Ni，WC中 体中起到增韧作用。 中加入Al、Ni，WC中 Al 加入Co等 加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提 Co 高，但高温力学性能有所下降。 但高温力学性能有所下降。
十分优异的新型复合材料补强增韧材料。 十分优异的新型复合材料补强增韧材料。
ZnO晶须微观形貌 ZnO晶须微观形貌
•
须 独 功
具 ：
规
维结构
脚 须
• ①高 态规 均 较高 态规 均 ； • ②各 。T—ZnO 须具 ， 为 强 赋 补强 机械 各 ； • ③ 导 质。T—ZnO n • ④ 线。T—Zno 须 显 ，可改 高 ； • ⑤高 。 加剂 ％ 间 T—ZnO 须 对 种 减 。
固相生长法的典型实例 利用稻壳法制备SiC晶须 利用稻壳法制备SiC晶须 SiC
反应： 反应： 稻壳(700-900° 无氧气氛) 稻壳(700-900°C 、无氧气氛)→SiO2(s) + C( ) (700 ) C(s) SiO2（s） + 3C（s） → SiC ↓+ 2 CO (g) ） （）
节
须（Whisker）ຫໍສະໝຸດ BaiduWhisker）
晶须(whisker)是指由高纯度单晶生长而成的直径 是指由高纯度单晶生长而成的直径 晶须 几微米、长度几十微米的单晶纤维材料。 几微米、长度几十微米的单晶纤维材料。 由于其原子结构排列高度有序，结构完整难以容 由于其原子结构排列高度有序， 纳大晶体中常存的缺陷， 纳大晶体中常存的缺陷，故机械强度近似等于原 子间价键力的理论强度 晶须是含缺陷很少的单晶纤维， 晶须是含缺陷很少的单晶纤维，其拉伸强度接近 其纯晶体的理论强度。 其纯晶体的理论强度。