晶须的研究

钛酸钾晶须在增强塑料中应用研究 动态
• 玻璃纤维是使用最广泛的塑料增强纤维。但由于 其纤维粗大，从而在复杂磨具中难以分布均匀， 产生机械强度差的贫纤维区，另外，存在制品的 表面光洁度差，加工时对磨具磨损严重等缺点。 • 六钛酸钾晶须具有很多优异的特性，加上尺寸细 微，在树脂中分散性极好，使之克服了玻璃纤维 的诸多特点，在作为塑料增强材料时，具有不增 加熔体粘度，易与材料复合，易成型形状复杂， 细小，精度好，表面光洁度高的制品，对成型设 备和磨具损伤小等优点，可用于制造精密齿轮， 轴承，垫片，阀门等。
钛酸钾晶须合成方法比较
二,四,六钛酸钾晶体结构图
八钛酸钾的晶体结构图
钛酸钾晶须的主要性能 • (1)优异的摩擦及滑动性能 • (2)对设备磨损小 • (3)高的绝缘性能 • (4)优异耐热、隔热性能和红外 波长反射性能
钛酸钾晶须的优点介绍一
• 钛酸钾晶须是一种新型高性能复合材料增 强体，它具有较大的长径比，以相对低廉 的价格和优良的性能逐渐受到研究者的重 视。 • 作为高分子材料的增强增韧剂，钛酸钾晶 须除能明显提高材料的力学性能外，也能 改善材料的耐磨、防滑及尺寸稳定性等性 能，此外，由于其硬度较低，对成型加工 设备与模具的损伤也较小。 • 目前，钛酸钾晶须已被广泛应用于聚丙烯 （PP）、聚氯乙烯（PVC）、尼龙（PA）、 聚碳酸酯（PC）、聚醚砜（PESU）、
与其它摩擦材料的比较
• 传统的摩擦材料以石棉为主，因为石棉对 环境污染严重，对人体也具有潜在的致命 的危险。当石棉的细微细微飞散在空气中 被人体吸入，人体就会患上严重的疾病， 包括使人的肺部产生瘢痕的石棉沉着病和 另一种罕见的癌症间皮瘤。石棉导致的疾 病潜伏期相对长，甚至可达40年之久。正 因为知道了石棉的危害，人类才逐步探索 石棉的替代材料，也才有了后来的玻璃纤 维、金属纤维、耐热性有机纤维如凯夫拉 （Kevlar）纤维等等。
在液相或固相反应中，晶须的生长 受哪些因素所控制？
• 固相：1.反应温度的影响 2.反应时间的影响 3.升温速率的影响 • 液相： 温度的影响 pH值的影响 浆料浓度的影响 反应时间的影响
在什么条件下，晶体易朝纵向方向生长？ 为什么？
• (1)合成温度是影响晶须质量最主要的因素，晶须 在1 000℃左右开始大量合成，随着合成温度的升 高，晶须直径明显呈增大趋势，而长径比则呈减 少趋势；
钛酸钾摩擦材料市场预测
• 摩擦材料包括盘式刹车片、鼓式刹车片、离合器面片、刹 车带、火车闸瓦、钻机闸瓦及摩托车摩擦材料等等，石棉 类摩擦材料将逐渐被淘汰，这是个不争的事实。 • 六钛酸钾和八钛酸钾类摩擦材料属于高性能摩擦材料，目 前少数国内大企业已经使用到了高档轿车上，显示出了非 常好的效果。山东韩京摩擦材料有限公司使用六钛酸钾晶 须作大客车的刹车片作试验，希望为沃尔沃大客车配套。 • 随着市场经济的发展，产品的质量和适合环保要求显得越 来越重要，甚至关系到企业的生死存亡，而作为性能优异 的钛酸钾类摩擦材料，在未来的3～5年时间里，可以实现 从引领高档轿车行业到向整个摩擦材料行业的全面渗透， 从而整体提高我国的民族工艺水平。
材料0901
21
沙漠
22
周泽
24
高旭瑞
25
陈志
27
马强 23
28
张永峰
30
26
方源
29
赵荣琪 31 郑 诗 远
朱 晓 威
周 明 远
晶须简介
• 晶须（Whiskers） 是一种纤维状单晶 体，横断面几乎一 致，内外结构高度 完整，长径一般在 5-1000以上，直径 通常在200nm-100um 之间。
六钛酸钾晶ຫໍສະໝຸດ Baidu性能表
六钛酸钾晶须在酸、碱、盐中 的溶解数据
晶须状六钛酸钾在扫描电镜下 的形貌特征
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增加安全性能
• 刹车过程中刹车片与刹车鼓不断摩擦，快速释放 出巨大的能量，这些能量大部分以红外线的形式 释放，六钛酸钾晶须对红外线的反射能力强，所 以，摩擦过程中产生的相当一部分的能量被刹车 片中的六钛酸钾晶须反射，从而减缓了刹车片本 身温度的升高，即使长时间使用，也因为六钛酸 钾晶须使用温度为1000℃，也提高了刹车片的使 用温度，确保了刹车片制动过程的安全性能； • 六钛酸钾晶须的导热系数较低，而且温度越高， 导热系数越低，也减缓了摩擦过程中能量的传递 速率，降低了刹车片的升温速率，也确保了制动 过程的安全性能。
钛酸钾晶须的性能特点
• 组成不同的钛酸钾晶须在结构和性能上差 异显著．其中以n=4,6，即四钛酸钾和六钛 酸钾晶须的实用价值最大，四钛酸钾具有 很好的化学活性；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，还具有红外反射率高， 高温下导热系数极低硬度低的特点
钛酸钾晶须在增强塑料中应用实例
• 采用钛酸钾晶须和滑石粉协同增强聚丙烯, 并添加POE作为增韧剂研究聚丙烯复合材 料的性能。 • 实验发现:钛酸钾晶须对聚丙烯有很好的增 强增韧效果,采用PP-g-MA做增容剂和表面 处理过的晶须,具有更好的实验效果。聚丙 烯复合材料的拉伸模量和弯曲模量均随钛酸 钾晶须含量增加而显著上升。
• (2)升温速率对晶须质量影响较显著，在晶 核形成之后升温速度应当适中。 • (3)保温时间对晶须质量影响较小，时间太 短或过长会一定程度上影响到晶须的均匀 性，但晶须形态差别不太明显； • (4)六钛酸钾晶须的最优制备工艺为：合成 温度为1000℃，保温1h～1．5h，升温至 U800％之后保持3℃／min升温速度。
晶须增强复合材料的机制
• 晶须属不连续纤维。根据增强理论，纤维与基体 的模量比会影响每根纤维作用范围，影响要求纤 维的最低浓度和长径比。 • 加于复合材料的负载应力可以通过基体在纤维问 传递。因增强纤维比基体强度大，模量高，纤维 的局部抵抗形变会产生比纤维周围基体高得多的 应力。 • 在塑料中，基体模量低，纤维的长径比(L／D)较 大，纤维的密集程度必须高于某一最小值才能有 明显的增强作用。
晶须增塑的原因


高新技术的发展对材料提出了更高的要 求，纤维增强复合材料成了关注对象。 在众多的增强纤维中，晶须的强度和模 量最高，它不仅能增强塑料、金属，还 能增韧陶瓷。 晶须之所以有这样高的性能，是因为它 是在特殊的条件下以单晶形式生长成的 纤维，其直径极小，是微米和百纳米级 尺寸，很难容纳大晶体中的那些缺陷， 具有高度有序的原子排列结构，因而可 接近材料的原子间价键的理论强度。
钛酸钾晶须的优点介绍二
• 钛酸钾晶须经表面化学处理，涂覆上硅烷 偶联剂等后，可以用作工程塑料的增强材 料。 • 钛酸钾晶须的几何尺寸很小，所以与玻璃 纤维和碳纤维等相比较，它具有微增强、 流动性好、成型性好、复合材料的再生循 环使用性能好等优点。 • 钛酸钾晶须可以显著改善复合材料的耐磨 性、滑动性能、表面光滑性和尺寸精度。
减小刹车噪音
• 六钛酸钾晶须本身具有高温吸音性能。 • 刹车片在制动过程中因与刹车鼓摩擦既释 放出巨大的能量，伴随着刹车片的温度快 速升高，又产生了较大的噪音，对环境形 成了噪音污染。六钛酸钾晶须的加入，对 减小制动产生从噪音会起到积极的作用。
减少环境污染
• 同为摩擦材料的石棉，不仅在制作刹车片的 过程中对人构成伤害和给周围环境带来污染， 而且报废了石棉刹车片也会对环境构成污染。 六钛酸钾晶须则不仅化学性能稳定，而且无 毒无害，不会伤及人类安全和构成环境污染。 另外，晶须不像纤维，在制动过程中因摩擦 产生的粉尘可能会飘浮在空气中并吸入体内， 而是迅速沉降到地面，避免了对人体的伤害 和大气的污染。
一些摩擦材料的性能数据
从表4中可以看出，钛酸钾晶须的导热系数相对说来较小，机 械性能亦良好，是较为理想的摩擦材料。
对于石棉与钛酸钾纤维之摩擦材料， NASA（美国国家航空航天局）曾专 门作过评价；
• 使用钛酸钾晶须的酚醛树脂基复合材料作 汽车刹车片和离合器的衬片使用时石棉类 摩擦材料190℃就产生老化现象，而钛酸钾 类则在350℃也未出现老化现象；摩擦力比 石棉类摩擦材料提高约50％；磨损量比石 棉类摩擦材料减少约30％。 • 应该说，不论是钛酸钾晶须，还是钛酸钾 纤维或鳞片状钛酸钾，在其性能上是明显 优于石棉类摩擦材料的，对摩擦材料的改 良也是十分有益的。 15
2.六钛酸钾晶须在摩擦材料中 所起的作用 20 3.与其它摩擦材料的比较 4.钛酸钾摩擦材料市场预测 24 27
最新刹车片摩擦材料—六钛酸钾晶 须
• 六钛酸钾晶体结构中，Ti的配位数为6，以TiO6八 面体通过共棱和共面连结而成连锁的隧道式结构， K＋离子居于隧道中间，与环境隔开，使K＋离子 不具备化学活性，并具备许多独特性能。 • 八钛酸钾晶体结构中，Ti的配位数为6，以TiO6八 面体通过共边和共角连结而成连锁的隧道式结构， K＋离子亦居于隧道中间，与环境隔开，使K＋离 子不具备化学活性。 • 但是, 由于八钛酸钾的生产工艺更复杂, 成本更高, 且六钛酸钾的隔热性能和耐摩擦稳定性更好, 所以 用于摩擦材料增强材料的主要是六钛酸钾。
晶须及其复合材料开发应用现状
• 据不完全统计，目前晶须的年生产总量已 超过万吨。在国际市场上已有出售的晶须 主要有钛酸钾晶须及其导电晶须、镁盐(碱 式硫酸镁)晶须、碳化硅晶须、硼酸铝晶须、 氧化锌晶须、石墨晶须和氧化钛晶须等。 其中钛酸钾晶须用量最大，约占整个晶须 市场的一大半。
钛酸钾晶须结构图
钛酸钾晶须增强工程塑料的性能
钛酸钾晶须增强工程塑料的主要 应用
钛酸钾晶须增强塑料的研究中， 几个值得注意的问题：




(1) 表面改性问题：晶须与基体界面结合状态良好与否 直接关系到复合材料整个性能，钛酸钾晶须的力学性 能远高于玻璃纤维，由此推论钛酸钾晶须增强塑料的 性能应该比玻纤的高得多，但事实并非如此。 (2) 缺口冲击强度问题：酸钾晶须对改善缺口冲击强度 远不如改善抗拉强度、弯曲强度及弯曲模量那样明显。 (3) 无损加工问题：钛酸钾晶须由于细小，在表面处理 和成型加工过程中极易折断。而晶须只有保持一定的 长径比才能使其增强复合材料体现出理想的性能。因 此如何使晶须少受或免受损伤是一非常重要的问题。 (4) 含量问题：钛酸钾晶须加入树脂的含量以25％～35 ％为最佳。
延长使用寿命
• 石棉类摩擦材料在230℃时出现衰减现象， 六钛酸钾晶须类摩擦材料在350℃时也没出 现衰减现象，仍然能够维持稳定的摩擦性能。 • 由于六钛酸钾晶须的莫氏硬度只有4，存在 于刹车片中，抗冲击性能优良，不吸潮、不 与水起化学反应，可消除衰减现象，对刹车 鼓和刹车片本身的磨损量会相对减小，同时， 六钛酸钾晶须对摩擦过程中能量的反射和能 量的缓慢传递，致使刹车片的温度升高缓慢， 保持了摩擦系数的稳定性，也减小了磨损量， 从而提高了刹车片的使用寿命。15
车的刹车性能确实很重要，起速快的同 时也要刹得紧，不然遇到那些不遵守交通 规则的人，很难不出事故的。 上海晶须复合材料制造有限公司生产的 六钛酸钾晶须、八钛酸钾均可以用于摩擦 料。到目前为止，国内已经有近100家刹 车片生产厂家索取了六钛酸钾晶须。
钛酸钾晶须在摩擦方面的作用
1.钛酸钾晶须的选择 16