常见的无机晶须及其应用

常见的无机晶须材料及其应用

中国粉体技术网晶须是由高纯度单晶生长而成的微纳米级的短纤维。其机械强度等于邻接原子间力产生的强度。晶须的高度取向结构不仅使其具有高强度、高模量和高伸长率，而且还具有电、光、磁、介电、导电、超导电性质。

氧化锌晶须

氧化锌晶须（ZnOw）按结构形态不同可分为针状晶须和立体四针状晶须。前者与其他针状晶须一样，主要用作复合材料的增强剂；后者因为结构独特，除用于增强外，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，可各向同性地改善材料的力学性能，如抗拉、抗弯曲和耐磨性能；同时由于ZnOw 的耐高温性、导热性和低膨胀系数，能提高材料在高温下的化学和尺寸稳定性。含20%（vol）氧化锌晶须改性的POM、尼龙-66、PBT 树脂，它们的拉伸强度、弯曲强调、弯曲模量、缺口冲击强度、热变形温度均有很大的提高，而线膨胀系数和成型收缩率则有大幅度的降低，在应用中取得了良好的效果；ZnOw 的体积电阻率小于50Ω/cm，又具有高的真实密度（5.8g/cm3），低的堆集密度（0.01-0.5g/cm3），因而它能赋予其复合材料具有吸声、减振和抗振性能，可用于音频机。另外，ZnOw 具有抗菌、吸收紫外线及红外线的作用,已证明ZnOw树脂基复合材料对大肠杆菌、金色葡萄球菌、铜录假单胞菌等菌种杀灭率达99%。将ZnOw 加入塑料、橡胶、涂料中,可以制成抗菌冰箱、电话、食品袋和地板等。ZnOw 还可以应用在原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）探针等方面。

氧化锌晶须用于橡胶等高分子材料还有增加强度、提高抗冲击能力和分散热量的功能。氧化锌晶须/橡胶复合材料可用于土木建筑、机械结构、铁路轨道、交通运输等领域用于减振降噪材料中。

北京工商大学温变英等以乙烯-辛烯共聚物接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯（POE-g-GMA）为增容剂，利用熔融共混法制备了聚丙烯（PP）/POE-g-GMA/四针状氧化锌晶须（T-ZnOw）复合材料，借助于SEM、DSC 和其他测试手段对复合材料的结构和性能进行了考查。DSC 测试结果表明，T-ZnOw对PP 基体的结晶有一定的诱导作用，使体系出现了双熔融峰和双结晶峰，但对PP 的结晶能力和结晶度影响不大。力学性能测试结果表明，在POE-g-GMA 的协同作用下，T-ZnOw 对PP 基体有较强的增韧作用，但增强作用不明显。

硼酸镁晶须

硼酸镁晶须又名焦硼酸镁晶须，它的价格仅是碳化硅晶须的1/20～1/30，是当今复合材料最有希望广泛应用的晶须之一。

硼酸镁晶须不仅在增强复合材料时表现出良好的增强性能，而且具有轻质、高韧、耐磨、耐腐蚀等特点，可以应用于许多场合，如发动机活塞、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、轴承、拉锁及体育用品等耐磨部件。

此外，硼酸镁晶须增强塑料成型流动性好，接近于无填充树脂，晶须可达到部件的任意角落，且表面平洁光滑，成型精度高，部件尺寸稳定性强，因此也可以用于制造精小零部件和超薄壁零部件，如手表、照相机等的内部塑件等。目前的研究结果表明，增强塑料方面，硼酸镁晶须比钛酸钾晶须具有更好的性能，增强镁、铝基金属材料时，硼酸镁晶须可提高弹性模量10%-50%。可以预见，硼酸镁晶须将以其高的性价比，出现在复合材料市场上，在航天航空先进复合材料技术的民用化进程中，硼酸镁晶须增强材料将占据重要的地位。

硼酸铝晶须

硼酸铝晶须是通过人工控制得到的针状单晶纤维，属于正交系结构的晶体，由Al2O3与B2O3以一定的比例结合得到。这种晶须具有高的弹性模量、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、与金属共价性等特点，不仅可以用于绝热、耐热和耐腐材料，也可用作热塑性树脂、热固性树脂、水泥、陶瓷和金属的补强剂，主要用于轻金属合金、陶瓷材料、树脂基复合材料以及涂料等的增强方面。

增强高分子材料是当前硼酸铝晶须开发研究的热点之一，目前研究使用的基体树脂主要包括PP、PE、PVC、PS、PC、PA、聚酰亚胺、聚苯硫醚等，制得的复合材料具有优异的强度、刚度、耐磨性；耐冲击性及润滑性能，可广泛用于汽车刹车片、离合器衬片、滑轮、轴承等，也可以做成体育运动器件。

国内硼酸铝晶须增强复合材料方面的研究领先于晶须的合成研究，初期主要通过购买日本产的晶须进行研究工作，哈尔滨工业大学、中科院沈阳金属研究所、中科院上海硅酸盐研究所、清华大学、上海交通大学、浙江大学等单位均曾涉足该领域的研究工作，取得了丰硕的研究成果。

目前，我国在硼酸铝晶须的合成、增强增韧复合材料、产业化等方面都具备相当的实力，可以预期，在不远的将来，硼酸铝晶须将会在增强金属基（铝基、镁基）、陶瓷基、塑料、玻璃、纤维以及涂料等方面，得到非常广泛的应用。

碳酸钙晶须

碳酸钙晶须有方解石、文石型和球霞石型等多种类型，其中的文石型碳酸钙晶须是近年出现的一种新型针状材料，不仅弥补了目前市场中SiC、钛酸钾晶须成本较高的弱点，而且它具有白色度高、填充量大的优点，有望在日用塑料等领域大量使用。由于文石型碳酸钙晶须的结晶形式为单晶，晶体内部几乎无缺陷，所以具有强度高、模量高、耐热与隔热性好等优良特性。另外，由于它具有特殊的外形，因而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性能，提高力学性能，赋予制品表面光滑和具有耐磨性，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。

福建省塑料工业协会余卫平对晶须碳酸钙在聚乙烯（PE）中的应用进行了研究。结果表明，处理过的晶须碳酸钙添加到PE 中可以使其MI 值由 4.90g/10min 提高到8.35G/10min，加工流动性能明显提高；DMTA 试验也表明，晶须碳酸钙/PE 合材料的机械性能得到增强；IR 中1720 cm-1 处出现吸收峰表明有促进光降解；晶须碳酸钙/PE 复合材料的热分解温度由纯PE 的370℃下降到262℃，热稳定性能明显下降，可焚烧性能提高；复合材料热解程中产生的烷基碎片的最大吸光度由纯PE 的0.016 下降到0. 0079，可以减少焚烧过程中有害气体的产生

硫酸钙晶须

硫酸钙晶须是无水硫酸钙的纤维状单晶体，其尺寸稳定，平均长径比为约80，具有耐高温、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、和橡胶和塑料等聚合物的亲和力强等优点，而价格却仅为碳化硅晶须的1/200～1/300，因而具有较强的市场竞争力。

用硫酸钙晶须增强聚丙烯（PP）时，若采用钛酸酯偶联剂处理其表面，或对聚丙烯接枝马来酸酐，增强效果很佳。现在通过采用合适的掺混工艺、适当的填充比例可以制备出综合性能优异的硫酸钙晶须增强PP 材料。

江苏工业学院周超等采用硫酸钙晶须为增强改性剂、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SBS）为增韧改性剂、高抗冲聚苯乙烯（HIPS）为基体材料，通过采用熔融混合挤出，制得HIPS 复