钛酸钾晶须和摩擦材料

钛酸钾晶须和摩擦材料一钛酸钾晶须简介

1 钛酸钾晶须的分类与结构

1.1 钛酸钾晶须的分类

钛酸钾晶须是指一类化学式为K

2O·nTiO

2

或K

2

Ti

n

O

2n+1

的、微型外观为针状晶体的

无机高分子化合物，式中n=2、4、6、8，分别称二钛酸钾晶须、四钛酸钾晶须、六钛酸钾晶须和八钛酸钾晶须。在摩擦材料中，一般只使用六钛酸钾晶须和八钛酸钾晶须。

从结晶学角度讲，完整晶体是材料的最高强度形式。理想完整晶体难以得到实际应用，近似于理想晶体的晶须和近似于晶须的纤维状材料则已经得到应用。晶须是目前已知纤维中强度最高的一种，其力学性能几乎等于原子间的作用力。晶须强度高的原因，主要是由于晶须的直径小，容纳不下使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。晶须的直径为微米级，断面呈多角形，没有显著的疲劳效应，在切断、磨粉或其它的施工操作中，不会降低其强度，也不会改变其性能。因此，与钛酸钾晶须对应的还有钛酸钾纤维或其它表现形式，如鳞片状钛酸钾等，其化学式与钛酸钾晶须相同。故在谈到钛酸钾时，一般要指明是钛酸钾晶须还是钛酸钾纤维或鳞片状钛酸钾。从化学组成来说，钛酸钾晶须和钛酸钾纤维没有本质的区别，机械性能方面及热性能上则是有区别的。一般说来，钛酸钾纤维有一定的韧性，质轻，堆比重较小，为0.1～0.3, 而钛酸钾晶须则存在脆性，易断裂，质重，堆比重为0.4～0.7，表现在复合材料上，则钛酸钾晶须更容易与基体材料混合均匀。

1.2 钛酸钾的晶体结构

表1列出了几种钛酸钾晶体的结晶学参数。晶体结构如图1～2所示。

图1 二、四、六钛酸钾的晶体结构图图2 八钛酸钾的晶体结构图

表1 K

2Ti

2

O

5

、K

2

Ti

4

O

9

、K

2

Ti

6

O

13

、K

2

Ti

8

O

17

等的结晶学数据

从表1可以看出，钛酸钾均属于单斜晶系，而且也都属于C2/m点群。二钛酸钾

三角双锥体通过共顶点连结而成连锁的晶体结构中，Ti的配位数为5，以TiO

5

层状结构，层面与晶体轴平行，层间距为6.5埃，K＋离子居层间，具有化学活性。

八面体通过共棱和共顶角连结四钛酸钾晶体结构中，Ti的配位数为6，以TiO

6

而成连锁的层状结构，层面与晶体轴平行，层间距为8.5埃，K＋离子居层间，亦具有化学活性。二钛酸钾和四钛酸钾晶体的层状结构，层间K＋离子可以与其它阳离子交换，将废水中的重金属离子交换出来，达到处理重金属离子的目的；而部分K＋离子溶出，则可以合成六钛酸钾和八钛酸钾。六钛酸钾晶体结构中，Ti 的配位数为6，以TiO

八面体通过共棱和共面连结而成连锁的隧道式结构，K＋

6

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TiO

八面体通过共边和共角

6

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。

2 国内外钛酸钾生产情况

国际上最早生产和销售钛酸钾纤维的是日本的Otsuka Chemical，后来又有几家日本企业生产钛酸钾产品，如Titan Kogyo, Kubota, Krahn Chemie, Toho Tit anium等, 1989年Otsuka Chemical就具备了年产1200吨的生产能力，整个日本钛酸钾产品的年生产能力超过5000吨。日本生产的钛酸钾产品主要是六钛酸钾纤维、八钛酸钾纤维、鳞片状六钛酸钾和八钛酸钾等。国外生产钛酸钾产品的主要是日本。

国内首家具备生产能力的是上海晶须复合材料制造有限公司，上海晶须复合材料制造有限公司组建于2003年1月，设计生产能力5000吨/年，现生产能力300～500吨/年和湖南岳阳生产基地，主要生产钛酸钾晶须、其产品的优越性质量稳定，纯度高大于98%、PH:7-8。

3 上海晶须复合材料制造有限公司生产的产品

2003年初，开始筹建上海晶须复合材料制造有限公司，并于当年投产。因为是自主知识产权，对钛酸钾晶须的生产设备和生产工艺仍然在不断改进和不断完善之中。

上海晶须复合材料制造有限公司以六钛酸钾晶须为主导产品，辅以生产四钛酸钾晶须、八钛酸钾晶须和钛酸晶须以及后续产品六太酸钠晶须、三太酸钠晶须。同时以特殊加工方法，将钛酸钾晶须作成粉末，得到1～3μm左右的六钛酸钾粉末、八钛酸钾粉末和钛酸粉末，以满足不同用户的需求。

表2是上海晶须复合材料制造有限公司生产的六钛酸钾晶须的性能指标。其它钛酸钾晶须的性能指标不在此一一列出

表2 六钛酸钾晶须性能表

从表2中可以看出，六钛酸钾晶须的导热系数较小，与温石棉的导热系数接近（～0.06W/M·K）,且具有负温度系数（温度越高导热系数越低），化学性能稳定，且无毒无害，是比较理想的石棉替代材料。

图3是韩国对上海晶须复合材料制造有限公司六钛酸钾晶须产品的较为详细的对照检验报告。在图3中，对上海晶须复合材料制造有限公司提供的六钛酸钾晶须和日本某公司的六钛酸钾晶须和鳞片状六钛酸钾的SEM比较分析，结果是：上

海晶须复合材料制造有限公司六钛酸钾晶须不存在硅、铁等杂质；上海晶须复合材料制造有限公司六钛酸钾晶须粒子相对较大；堆比重上有区别，上海晶须复合材料制造有限公司的六钛酸钾晶须堆比重为0.612，日本产品鳞片状为0.095，纤维状为0.295。

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材料。到目前为止，国内已经有1000多家刹车片生产厂家索取了六钛酸钾晶须，其中山东金麒麟基团、山东信义基团等已经评价合格，并有部分高档轿车刹车片出口，其它企业正在评价之中。国外日本伊藤忠商务有限公司索取了该公司的六钛酸钾晶须，并在日本作摩擦材料试验，4月底已经结束，结果OK；韩国也已经完成了六钛酸钾晶须的评价，并与其它同类产品进行了比较，见图3；欧洲国家也有企业拿到了六钛酸钾晶须样品，评价结果还未反馈回来。

图3 韩国测试结果

二摩擦材料

1 六钛酸钾晶须在摩擦材料中所其的作用

1.1 增加安全性能

使用了六钛酸钾晶须的刹车片，在机动车刹车过程中，能够使刹车片的摩擦系数不发生大的变化，尤其是长时间刹车过程中，不会因为刹车时导致刹车片温度的升高引起刹车片的失效或“抱死”，从而提高了刹车片使用过程中的安全性能。六钛酸钾晶须增强安全性能的主要原理是：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（见表3），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。

表3 六钛酸钾纸状成形体的红外线反射性能