硼酸鋁晶須制備工藝及應(yīng)用

1、硼酸鋁晶須簡(jiǎn)介 主要內(nèi)容生長(zhǎng)機(jī)理生長(zhǎng)機(jī)理3應(yīng)用發(fā)展應(yīng)用發(fā)展4晶須制備晶須制備晶須簡(jiǎn)介晶須簡(jiǎn)介21什么是晶須？什么是硼酸鋁晶須？什么是晶須？什么是硼酸鋁晶須？晶須晶須是指在人工控制條件下以單晶形式生長(zhǎng)成的一種纖維，其直徑非常?。ㄎ⒚讛?shù)量級(jí)），不含有通常材料中存在的缺陷（晶界、位錯(cuò)、空穴等），其原子排列高度有序，因而其強(qiáng)度接近于完整晶體1的理論值。其機(jī)械強(qiáng)度等于鄰接原子間力。硼酸鋁晶須硼酸鋁晶須 分子式：nAl2O3B2O3它的種類較多，但常見的3種形態(tài)是9Al2O32B2O3、2Al2O3B2O3、Al2O3B2O3。Al2O3B2O3存在于天然礦物中，9Al2O32B2O3、2Al2O3B2O

2、3則為人工產(chǎn)品。由于9Al2O32B2O3晶須的性能優(yōu)異，工業(yè)化晶須主要指9Al2O32B2O3。 1 1 晶須簡(jiǎn)介晶須簡(jiǎn)介硫酸鋁晶須硼酸鋁晶須性能指標(biāo)（企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）硼酸鋁晶須性能指標(biāo)（企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）v 外觀：白色針狀長(zhǎng)度：5-30um耐熱性：1420-1460v 分子量：1066.88相對(duì)密度：2.90-2.94拉伸強(qiáng)度：8 Gpa v 直徑：0.5-1um莫氏硬度：7彈性模量：400 Mpa熱膨脹系數(shù)：4.2106/v基本特征：基本特征： 極高的強(qiáng)度和彈性 優(yōu)良的耐酸、堿性 高熔點(diǎn)、耐熱性能較好 近似化學(xué)中性 溫度膨脹系數(shù)低2 2 晶須制備晶須制備制備方法高溫溶劑法水熱法液相生長(zhǎng)法助熔法2.1.

3、助熔法助熔法 助熔法 是在能提供氧化鋁和氧化硼的化合物中加入助熔劑來(lái)制備硼酸鋁晶須。氧化鋁的提供物是能夠在反應(yīng)中轉(zhuǎn)化成氧化鋁的物質(zhì)，反應(yīng)中氧化鋁全部參加反應(yīng)，反應(yīng)完成后不殘留氧化鋁，以保證硼酸鋁晶須的純度，這類物質(zhì)可以是硫酸鋁、硝酸鋁、鹵化鋁、硫酸鋁鈉(鉀)等。氧化硼的提供物是能夠在反應(yīng)中轉(zhuǎn)化成氧化硼的物質(zhì)，這類物質(zhì)可以是氧化硼、硼酸、硼酸醉、四硼酸鈉、焦硼酸鉀等。反應(yīng)中加入助熔劑的作用主要是用來(lái)降低體系的熔融溫度，對(duì)助熔劑的要求是其熔融時(shí)粘度低，能阻止生成的晶須分解，助熔劑一般可選用堿金屬硫酸鹽,鹵化物、碳酸鹽、硝酸鹽等。2.2.高溫熔劑法高溫熔劑法高溫熔劑法：應(yīng)用高溫熔劑法在1280-13

4、20間，氧化硼和氧化鋁的配比為1/4.5，熔劑加入量為70%的條件下，恒溫9h反應(yīng)制得硼酸鋁晶須，其長(zhǎng)徑比50100 。v以玻璃態(tài)、粉末態(tài)B2O3作為硼源，Al (OH) 3超細(xì)粉作為鋁源。按一定的摩爾比計(jì)算，稱取一定質(zhì)量的原料,加入適量的熔劑A ，混合研磨數(shù)分鐘后，放入剛玉坩堝內(nèi)，置于Si - C 棒爐中，加熱至1280 左右，恒溫一定時(shí)間后，冷卻至室溫后取出試樣。2.3.水熱法水熱法 水熱法l 制備硼酸鋁晶須是首先制備硼酸鋁凝膠，然后對(duì)凝膠進(jìn)行水熱處理，一般鋁鹽選擇在水中溶解度較大的硫酸鋁、硝酸鋁等，硼鹽則可以選擇硼酸銨、硼砂等。由氧化鋁或含鋁化合物、氧化硼或含硼化合物在Al2O3與B2O

5、3的摩爾比為9/1-1/2.5的條件下，和0.1-10%重量分?jǐn)?shù)的氧化鐵先制成硼酸鋁凝膠顆粒，然后加熱凝膠顆粒而制得硼酸鋁晶須。將鋁鹽和硼鹽配制成8-10%的濃度，在強(qiáng)力攪拌下生成凝膠，并通過(guò)數(shù)次過(guò)濾洗滌后，將呈中性的硼酸鋁凝膠放入反應(yīng)釜中，密閉加熱到450，同時(shí)排放過(guò)量的蒸汽，保持壓強(qiáng)在35MPa，在此條件下保壓至室溫，然后將料漿過(guò)濾，用熱水洗滌、干燥得到硼酸鋁晶須，晶須直徑1-5um，長(zhǎng)度20-200um，收率達(dá)到96%。2.4.液相生長(zhǎng)法液相生長(zhǎng)法液相生長(zhǎng)法：以鋁鹽作鋁源，以硼酸作硼源，加適量催化劑，在適當(dāng)配比下混合，在一定條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成硼酸鋁晶須，晶須的直徑為1-10um，長(zhǎng)

6、度為100-300um，晶須的直徑、長(zhǎng)度可以根據(jù)制備工藝條件進(jìn)行調(diào)整。3 生長(zhǎng)機(jī)理水熱法硼酸鋁晶須的生長(zhǎng)機(jī)理：v在研究硼酸鋁的生長(zhǎng)機(jī)理時(shí)可以借鑒溶液中晶體的生長(zhǎng)方式，溶液中生成晶核后，溶質(zhì)分子或離子會(huì)連續(xù)一層層排列上去而形成晶粒，晶體生長(zhǎng)第一步為溶質(zhì)擴(kuò)散，即待結(jié)晶的溶質(zhì)借擴(kuò)散穿過(guò)靠晶體表面的一個(gè)靜止液層，由溶液中轉(zhuǎn)移至晶體表面；第二步為表面反應(yīng)，即達(dá)到晶體表面的溶質(zhì)嵌入晶面，使晶體長(zhǎng)大。水熱法硼酸鋁晶須的生長(zhǎng)機(jī)理水熱法硼酸鋁晶須的生長(zhǎng)機(jī)理v結(jié)合溶體中晶須生長(zhǎng)的規(guī)律和試驗(yàn)中的制備過(guò)程以及微觀形貌，晶須的生長(zhǎng)過(guò)程微觀示意圖如下圖所示。硼酸鋁晶須的生長(zhǎng)過(guò)程首先是晶核的生成，在1050左右，出現(xiàn)大量的

7、晶核。根據(jù)布拉維法則，面網(wǎng)在垂直方向的生長(zhǎng)速度與該面網(wǎng)的面網(wǎng)密度成正比。面網(wǎng)密度小的晶面生長(zhǎng)速度快，最終被面網(wǎng)密度大的相鄰晶面所淹沒(méi)。而面網(wǎng)密度越大，相應(yīng)的晶面間距也就越大。水熱法硼酸鋁晶須的生長(zhǎng)機(jī)理水熱法硼酸鋁晶須的生長(zhǎng)機(jī)理4 應(yīng)用發(fā)展u硼酸鋁晶須增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料 硼酸鋁晶須加入金屬材料中后，可以提高金屬材料的各項(xiàng)性能，應(yīng)用于鎂合金時(shí)， 還可以減少鎂合金用作發(fā)動(dòng)機(jī)材料時(shí)的宏觀缺陷。另外，硼酸鋁晶須在液態(tài)合金過(guò)濾器、壓縮機(jī)葉片和航空工具等方面的應(yīng)用也十分廣泛。u硼酸鋁晶須用于高分子材料 硼酸鋁晶須對(duì)氰酸酯樹脂性能的影響， 研究表明硼酸鋁晶須的加入提高了氰酸酯樹脂材料的沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。在此基

8、礎(chǔ)之上，又加入了玻璃纖維，形成了晶須/ 聚合物/ 纖維復(fù)合材料應(yīng)用u增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 硼酸鋁晶須用于增強(qiáng)陶瓷和玻璃可提高材料的沖擊強(qiáng)度、彈性模量、硬度和壓伸強(qiáng)度等。到目前為止，晶須增韌的陶瓷材料已成功地應(yīng)用在切削刀具、耐磨件、宇航及軍用零件上 。u塑料增強(qiáng)材料硼酸鋁晶須可以用于各種塑料的增強(qiáng)材料，尤其是用于精密塑料構(gòu)件時(shí)，其成型體表面非常光潔，對(duì)模具磨損小，原因是其直徑小，長(zhǎng)度短。與玻璃纖維比較，對(duì)微小、復(fù)雜形狀的塑料制品的增強(qiáng)作用更明顯，而且賦予制品等方向性。用于塑料的增強(qiáng)材料，當(dāng)達(dá)到30%（重量）含量時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度可增強(qiáng)一倍以上，而拉伸彈性模量可增大二倍以上。發(fā)展v 目前，晶須增強(qiáng)的鋁、鎂基復(fù)合材料已在一些領(lǐng)域應(yīng)用成功，并且對(duì)晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的腐蝕行為、熱膨脹、超塑性以及晶須取向等進(jìn)行了較為廣泛的研究，但晶須增強(qiáng)機(jī)理、制備工藝和結(jié)構(gòu)特性尚不是十分明朗，為了進(jìn)一步提高材料的性能，降低制造成本，必須加強(qiáng)晶須增強(qiáng)機(jī)理、制備工藝和結(jié)構(gòu)特性等