莫来石晶须的特性及应用

２８
第 ４ 卷 第 ３期 ０ ２０ ０ ７年 ６月
江
苏
陶
瓷
Ｖｏ ． ， ． １ ４０ Ｎｏ ３
Ｊａ ｇ ｕ Ｃ ｒｍｉｓ ｉｎ ｓ ｅ ａ ｃ
Ｊｎ ，０ ７ ｕ ｅ２ ０
莫来石 晶须 的特性及应用
纪 士 东 ． 益 军 罗
（ ． 京 工业 大学 材料 学院 ， 京 ２ ００ ２江苏 省 陶瓷研 究所 有限 公司 ， 兴 ２４２ ） １南 南 １０ ９ ． 宜 １２ １
火材料 的热震 稳定性 与高 温荷 重软化 性能 。
纪 士 东 等 ： 来 石 晶须 的 特 性 及 应 用 莫
经 验 交 流
３ ｌ
来石 基 体 的多 孔 材 料 的显 微 结 构 与特 性 进 行 了讨
３ 结
论
论 。因其抗热 冲击性 能好 、 高温 强度 高 ， 以可 以在 所 高温 流体过滤 方 面得 到应用 。晶须 因具 有 比较光 洁 的表 面 ， 形状 的特殊 性 （ 径 比大 ）其堆 积 成孔 的方 长 ， 式与 颗粒有很 大 的不 同 。 在制成 无机 过滤膜 时 ， 以 可 利用这些 特性 使其具 有较 优异 的防堵塞 性 能。 首先 ， 在成 型过程 中如能利 用 晶须 形状 特异性 ，使 其有 较 明显 的定 向排 列趋势 ， 形成类 似格 栅 的结构 ， 以预 可 见其 防堵 塞及 再生性 能会更加 优 良。 一方 面 ， 通 另 普 三维粒 子表面 与 晶须 的低能 表 面相 比在 光洁 程度 与 电荷不平 衡方 面有很 大 的差别 。晶须表 面都 为原 子 排 列 的低 能面 而端 面的面 积极小且 光洁 ，表 面缺 陷 少。这些 物理 特性对 防止孔 道堵 塞提供 了先 天 的物 理基 础 。 最后 ， 普通粒 子堆 积所成 的孔 隙率要 比一维 晶须 的低 ，所形 成 的孔洞在表 面光 滑程 度上要 差很 多， 而且会形 成 较多 的死角 ， 然这样 在 过滤精 度 上 虽 会有 所改善 ， 但会 非常 不利 于再生 与清洗 ， 较易 造成 堵 塞 。如 能将结合 上述 三条推 论用莫 来石 晶须 制 备 较均 匀 、 无缺 陷的过滤 膜 ， 可望 在很 大程度 上解 决长 期 以来一直 困扰过 滤材 料应用 领域 的难题 。
０ 前 言
晶须通 常被定 义为在人 工控制 条件 下生长 成 的 具 有一定 长径 比的一种单 晶纤维 材料 ，其直径 非 常 小， 以致难 以容纳 在大 晶体 中经 常出现 的缺 陷 ． 其原 子 高度有 序 ， 强度 接近 于完 整 晶体的理论 值 ， 因而 它
与适 量 的氟化 物生 长催 化剂 混合 ， ｌ ３ ０ ｌ４ ０Ｃ 经 ８ ～ ８ ￣ 煅烧 ， 即制 备 了高纯 、 单相 的莫 来 石 晶须 。其工 艺 流
到更 紧 密的堆 积。 实践 中可 以通过 不 同粒 径粉体 的搭 配使基 体的密度 最大化 。 低维材 料在堆 积 时由于存 而 在 较大 的流动 阻力 ，使 材料 非常 不易 实现 紧密堆 积 ，
图 ６ 用 莫来 石 晶 须制 备 的 多孔 基体 （ Ｗ－ Ｍ Ｂ）
而出现气 孔率 比较高 的情况 。 所测 数据支 持 了这样 的
工 业 化 生 产 的 晶 须 还 只 有 ＳＣ Ｓ３ ＴＮ、 １ ，钛 ｉ 、ｉ 、 ｉ Ａ２ 、 Ｎ ０
凝
胶
干燥 、 预烧（０ ℃ ６ｏ
酸钾 等少数几 种【 本 文在小批 量 制备高 纯单相 莫来 ｔ １ 。
石 晶须 的基 础 上 ，对其 应用工 作做 了一些 探索 性研
究， 并对 其应 用前景做 了展望 。
。
混
合
溶
胶
－ ６ ４ ｉ ｔ・ （ ＰＨ－ ｍｏ／ ＮＩ３Ｈ２ Ｌ
研 究可 以发现 。几 乎所有 的物 质通过 控制适 当的生
长条件 都可 以得 到高强 度 的须状 晶体 。 近年来 随着 无机合 成化学 向纵深发 展 ，越 来越 多的科 学工 作者 在从 事晶须合 成与应 用方面 的研究 。 目前 能够 实现
孔 基 板试 样 ， 与普 通粒 子堆 积 法 烧 成样 品显微 结构 与性 能进 行 比较 ， 而分 析 了 并 进
Biblioteka Baidu
低 维 晶须材 料 与普 通 粒 子 的堆积 成 孔方 式 的异 同。 在 此基 础上 ， 对莫 来 石 晶须 在其
它方 面 的应 用进 行 了展 望。
关 键词 莫 来 石 晶须 ； 胶一 凝 胶 法 ； 溶 显微 结构 ； 用展 望 应
摘 要 通过 溶胶一 凝 胶 工 艺制 备 了莫 来 石前驱 体 ， 入适 当矿 化 剂经 高 温煅 烧合 加 成 了高纯 、 相莫 来石 晶须 。Ｘ Ｄ及 Ｓ Ｍ 分 析结 果 显 示 ： 单 Ｒ Ｅ 晶须直 径 为 ５ ～ ０ ｎ 长 ０ １０ ｍ， 度 为 ３ ８ ｍ， ～ １ 晶须 尺 寸均 匀性 好 ， 面光 洁 ， 晶率 高。 运用 所 制备 的 晶须 制备 了多 ｚ 表 直
观点 ， 管基体 的烧成 收缩要 高 于用普 通粒 子所制 备 尽 的基 体 ， 但其仍 呈现较 高 的气孔 率 。在 收缩 率较 为接
近时气 孔 率有 １％以上 的差 别 。随着 烧 成收 缩 的增 ０ 大， 莫来 石 晶须 的气孔 率也减 小 。
２３ 莫来 石晶须在 其它领 域 的应用 ．
晶须具有很 高 的机 械 强度 ． 已为广 大从事材 料 这
科 学研究 者所公 认 。 目前有 关 晶须 与金属 、 聚合 物、 陶 瓷等复 合以提 高材料性 能 的报导很 多 。 目前 因可 实 用 晶须 的种 类 非常 少 ， 些 晶须 如 ＳＣ Ｓ３棚 等 还存 一 ｉ ｉ Ｎ
图 ７ 用 莫 来 石晶 须 制 备的 多 孔基 体 （ ＭＷ － Ｃ）
１ 运用 溶胶一 凝 胶工 艺制 备莫来 石前驱 体 ， ） 加入 适 当矿化剂 经高 温煅 烧可 以制备 合成 高纯 、 相莫 来 单 石 晶须 。 所制 备的莫 来石 晶须尺 寸均匀 、 面光 洁 、 表 直 晶率 高且分 散 良好 。 ２ ）运用 所制 得 的粉体 加适 量 的粘接剂制 备 了多 孔基 体 ， 过 断 面显微 分 析表 明 ， 堆积 成孔 方 式 与 通 其 普通 粒子堆 积成孔 方式有 很大 的不 同。 相近烧成 收 在 缩率下 ， 一维 晶须 材料 堆积 烧成后 所得 气孔率 要远 高 于普通 均匀粒 子 的堆积气 孔率 。 ３ 由于 晶须 材料 表 面光洁且 为 晶体原 子排列 的 ） 低能 面 ， 加之 其特 有 的堆 积 成孔方 式可 望在制 备成过
在制备 成本高 、 抗氧化 性差 等 问题 。要使 晶须 在材料
复合 中发挥 作用 ， 须 考虑 的主要 因素包 括 ： 必 晶须 与
由 Ｓ Ｍ 照 片可 以看 出 ， 样 Ｅ Ｅ 试 Ｄ骨 料颗 粒 比较
基 体 的界面性 质 （ 面结合 力 、 界 物理 匹配 、 化学相 容 ） 、
晶须 的性能 （ 长径 比、 晶须 含量 、 晶须 强度 、 晶须排 布 ）
莫来石晶须
１ 实 验
１１ 莫 来石 晶须的制备 ．
图 １ 奠来 石 昌 须制 备 工艺 流 程
所 采用 原料 主要 有 ：正硅 酸 乙酯 （ ２ ） ｉ 、 （ ＨｓＳＯ ） Ｃ ， 硝酸 铝、 氟化 物 、 乙醇、 盐酸 和氨水 。 中氟 化物为莫 其
来石 晶须生长 的催化 剂 。
须 清晰可见 ， 形状 完 整 。试样 ＭＷ— 因所 用 粘接 剂 Ａ
①
氧化铝、 氧化锫陶瓷的增强、 增韧。 与其它种
量 比较少 ， 成后 基体 强 度不 高 。在 Ｓ Ｍ 样 品制备 烧 Ｅ
时 ， Ｄ样 经 自然 断裂 形 成 的新 鲜 表 面 比较平 整 ， Ｅ 而
类 的无 机 晶须 相 比 ． 来 石 晶须对 这两个 体 系有较 好 莫 的物理 、 化学 相容性 。通过 工 艺控 制可 望在性 能上 有
江苏陶瓷
Ｊａ ｇｕＣｅａ ｉｓ ｉｎ ｓ ｒｍ ｃ
２０ ０ ７年 ６月 第 ４ ０卷 第 ３期
表 ２ 三种 多孔基 体 的 主 要特 性
从 上 表 中多 孔基 体 的物 理性 能 的对 比可 以 明显
看出， 样 Ｅ 试 Ｄ的烧 成 收 缩最 小 ， 是 显 气 孔率 却 也 但
圈 ５ 用奠 来石 晶 须 制备 的 多 孔基体 （ － ＭＷ Ａ）
以莫来 石 理论 组成 中 Ａ ２ ／ ｉ ２３２摩 尔 比计 ） １ ｓｏ ＝ ／（ ｏ
为基 本组成 。 乙醇 为溶剂 、 当浓度 的盐 酸和氨 水 以 适 为凝胶 催化剂 制备硅 铝溶胶 ， 干燥后 得其 干凝 胶 ， 经
收 稿 日期 ： ０ ７－ Ｉ ２ ２０ － 一２ ０
３ ０
１ 莫来 石晶 须多孔基 板的制 备 ． ２
将 预 先 配制磨 细 、 烘干 的三 种 粘结 料 ， 别按 比 分 例与 莫来 石 晶须 配料 ，加 入压 制成 型 所需 的预 溶 解
５ Ｖ ％Ｐ Ａ溶液 和合适 的水 ， 用快 速球 磨瓶混 磨 ３小时 ， 经 干 燥 、造 粒 后 压制 成 型 ，经 箱 式 电阻 炉 ｌ ０ ～ ３ ０ ｌ３ ０ ９ ℃烧 成而得 多孔基 板 。
用 晶须所 制备 的基体 经 自然 断裂 后 很难 得到 表 面平 整 的新鲜 表面 。 这与 晶须 强度高 ， 多孔基 体 断裂时 晶
须会 比较 完整被 拨 出有关 。 这点 从 Ｓ Ｍ 照 片对 比中 Ｅ
可以 明显看 出 。
较好 的提高 。
② ③
耐火材料领域。 可以利用莫来石晶须提高耐 过滤材料领域［ ４ １ 。前节已对所制备 的几种莫
圆润 ， 孔 呈均匀分 布 ， 气 骨料形 状 明显有别 于 另外 三
个 试样 。试 样 ＭＷ— Ｂ中 晶须 与 粘接 料 反 应 比较充
等。 基 于莫来 石 晶须所 具 备 的一 些 优异性 能 ， 以预 可
见其在 如下领 域可望得 到 较好 的应用 ：
分， 被包 裹且 略有 熔蚀 ， 仍可 分辨 出所用 原料 的晶 但 须形 状 。试 样 Ｍ Ｃ中晶须 与粘 接料 结合 牢 固 ， Ｗ— 晶
程 见 图 ｌ 。
— — — — — — — —
＿ ＇
—
—
—
ｆ
—
—
—
—
—
ＴＯ＋ Ｅ Ｓ 乙醇 ｛
，
ｌ ｏ ／ ＨＣＩ ＰＨ＝２ ｍ ｉ Ｌ
具有 优 良的耐腐蚀 性能 、 良好 的机械 强度 、电绝 缘
性 、 量、 轻 高强 度 、 高弹性 模 量 、 高硬 度 等特 性 ， 为 作 塑料 、 金属 、 陶瓷 等的改性 增强材 料时显 示 出极 佳 的 物理 、 学性能 和优异 的力学性 能 。 化 无机 晶须 的种类很 多 ，通过 对 晶须生长 机理 的
滤膜 材料 后 具有 较 为 优 良的 防堵 塞 与清 洗 、再 生性
能。 另外 ， 来石 晶须 材料在 高温结构 陶瓷 的增强 、 莫 增 韧， 提高 耐火 材料 的高 温热震 性能 和高 温荷重 软化性 能及其 它复合 材料 中可 以得到广泛 应用 。
参 考 文 献
【】 李 武 ， ｌ 无机 晶须【 ， 京 ： 学 工 业 出版 社 ，０ ５ Ｍ】北 化 ２０ 【】 钱 之 荣 ， ２ 范广 举 ， 火 材 料 实 用 手 册 【 ， 京 ： 耐 Ｍ】北 冶金 Ｘ 业 出版 社 ， －
是最小 的 。由于 Ｅ Ｄ样所用 的刚玉 粉骨料 粒度分 布范 围 比较 窄 ， 经堆 积烧结 成基 体后 其孔 隙率 的数据 比较
符 合粒 子堆积 成孔 的基 本规 律 。 有关这 方 面的论述 在
众 多文 献 中多 有涉及 。 晶须粉体 与普通 粒子相 比其 但 维度大 为减少 ， 可以近 似认 为从 普通粒 子 的三维变 为 须 状 的一维 。这 时其堆 积 的方式 会发 生很 大的变 化 。 三维粒 子堆积 理论表 明 ： 一尺 寸 的等 径粒 子可得 到 单 最大 的堆 积气孔 率 ， 多规 格尺 寸 的等 径粒 子可 以得 更