第三章第五節(jié) 晶須(Whisker)

1、第五第五節(jié)節(jié) 晶晶須須（WhiskerWhisker）晶須晶須(whisker)是指由高純度單晶生長(zhǎng)而成的直徑是指由高純度單晶生長(zhǎng)而成的直徑幾微米、長(zhǎng)度幾十微米的單晶纖維材料。幾微米、長(zhǎng)度幾十微米的單晶纖維材料。由于其原子結(jié)構(gòu)排列高度有序，結(jié)構(gòu)完整難以容由于其原子結(jié)構(gòu)排列高度有序，結(jié)構(gòu)完整難以容納大晶體中常存的缺陷，故機(jī)械強(qiáng)度近似等于原納大晶體中常存的缺陷，故機(jī)械強(qiáng)度近似等于原子間價(jià)鍵力的理論強(qiáng)度子間價(jià)鍵力的理論強(qiáng)度晶須是含缺陷很少的單晶纖維，其拉伸強(qiáng)度接近晶須是含缺陷很少的單晶纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。其純晶體的理論強(qiáng)度。十分優(yōu)異的新型復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)增韌材料。十分優(yōu)異的新型復(fù)合材

2、料補(bǔ)強(qiáng)增韌材料。ZnOZnO晶須微觀形貌晶須微觀形貌 晶須中唯一具有規(guī)整三維結(jié)構(gòu)的四腳晶須 獨(dú)特的功能： 高度形態(tài)規(guī)整性及尺寸均一性。T-ZnO晶須具有較高的形態(tài)規(guī)整性及尺寸均一性，晶體生長(zhǎng)完整； 各向同性。TZnO晶須具有三維空間的規(guī)整性，作為增強(qiáng)體能賦予其補(bǔ)強(qiáng)增韌的復(fù)合材料的機(jī)械等性能各向同性； 半導(dǎo)體性質(zhì)。TZnO是n型半導(dǎo)體 吸收紫外線。TZno晶須在紫外光區(qū)具有顯著吸收特性，可改善高分子基體材料的抗老化性； 高密度性。通常添加劑的相對(duì)密度在2一3之間而TZnO晶須的相對(duì)密度為578，這種性能使其用作減振材料。SiCSiC晶須微觀形貌晶須微觀形貌 六鈦酸鉀晶須以其優(yōu)良的隔熱性能、良好的

3、紅外線反射特點(diǎn)和高溫吸音特性而備受青睞。 偏磷酸鈣晶須：良好的生物活性和生物相容性 晶須的制備方法有：化學(xué)氣相沉積（晶須的制備方法有：化學(xué)氣相沉積（CVD）法、）法、溶膠溶膠-凝膠法、氣液固法、液相生長(zhǎng)法、固相生凝膠法、氣液固法、液相生長(zhǎng)法、固相生長(zhǎng)法和原位生長(zhǎng)法等。長(zhǎng)法和原位生長(zhǎng)法等。制備陶瓷晶須經(jīng)常采用制備陶瓷晶須經(jīng)常采用CVD法法。即通過(guò)氣體原料在高溫下反應(yīng)，并沉積在襯底上即通過(guò)氣體原料在高溫下反應(yīng)，并沉積在襯底上而長(zhǎng)成晶須。而長(zhǎng)成晶須。e.g. CVD 法制備法制備 SiC 晶須的基本反應(yīng)式為：晶須的基本反應(yīng)式為： CHCH3 3 SiCl SiCl3 3（g） + H+ H2 2 S

4、iCSiC + + HClHCl（g）CVD 法制備難溶金屬氮化物和碳化物的基本法制備難溶金屬氮化物和碳化物的基本反應(yīng)式為：反應(yīng)式為：2MCl4（g）+ 4H2 +N2 = 2MN（s） + 8HCl+ 8HCl（g）MCl4（g）+ CH2 = MC（s） + 4HCl+ 4HCl（g）VLSVLS（氣液固）法（氣液固）法制備制備 SiCSiC 晶須的過(guò)程是：晶須的過(guò)程是： 在預(yù)選高溫將觸媒固體顆粒（在預(yù)選高溫將觸媒固體顆粒（ 3030 m m）熔化成）熔化成液態(tài)觸媒球，通入氣相源液態(tài)觸媒球，通入氣相源(H(H2 2、CHCH4 4、SiOSiO) )，氣相中，氣相中的碳、硅原子被液球吸收溶

5、解形成過(guò)飽和的碳硅溶的碳、硅原子被液球吸收溶解形成過(guò)飽和的碳硅溶液，以液，以SiCSiC的形式沉積在支撐襯底上。沉積不斷進(jìn)的形式沉積在支撐襯底上。沉積不斷進(jìn)行，晶須不斷生長(zhǎng)，觸媒球被生長(zhǎng)著的晶須抬起，行，晶須不斷生長(zhǎng)，觸媒球被生長(zhǎng)著的晶須抬起，繼續(xù)吸收、溶解和沉積。繼續(xù)吸收、溶解和沉積。 固相生長(zhǎng)法的典型實(shí)例固相生長(zhǎng)法的典型實(shí)例 利用稻殼法制備利用稻殼法制備SiCSiC晶須晶須 反應(yīng)：反應(yīng)： 稻殼稻殼(700-900(700-900 C C 、無(wú)氧氣氛、無(wú)氧氣氛) )SiOSiO2 2( (s) ) + + C(C(s) ) SiO2（s） + 3C（s） SiC + 2 CO (g) 晶須不

6、僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且許多晶須不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且許多 晶須具有各種特殊性能，可用來(lái)制備各種性能晶須具有各種特殊性能，可用來(lái)制備各種性能 優(yōu)異的功能復(fù)合材料。優(yōu)異的功能復(fù)合材料。 晶須的成本較高，影響其應(yīng)用。目前已開(kāi)晶須的成本較高，影響其應(yīng)用。目前已開(kāi) 發(fā)出許多低成本晶須，如發(fā)出許多低成本晶須，如K2Ti 6O13等。另外晶等。另外晶 須在基體材料中的分散工藝也是目前需要解決須在基體材料中的分散工藝也是目前需要解決 的問(wèn)題之一。的問(wèn)題之一。 顆粒（顆粒（Particle） 具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫 的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，加入到

7、基體材料中的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，加入到基體材料中 起提高耐磨、耐熱、強(qiáng)度、模量和韌性的作用。起提高耐磨、耐熱、強(qiáng)度、模量和韌性的作用。 其成本低，易于批量生產(chǎn)。其成本低，易于批量生產(chǎn)。 另外，還有一種顆粒增強(qiáng)體稱(chēng)為延性顆粒增另外，還有一種顆粒增強(qiáng)體稱(chēng)為延性顆粒增強(qiáng)體（強(qiáng)體（Ductile Particle Reinforcement），主要為），主要為金屬顆粒，一般是加入到陶瓷基體和玻璃陶瓷基金屬顆粒，一般是加入到陶瓷基體和玻璃陶瓷基體中起到增韌作用。如體中起到增韌作用。如AlAl2 2O O3 3中加入中加入AlAl、NiNi，WCWC中中加入加入CoCo等。金屬顆粒的加入使材料的韌性顯

8、著提等。金屬顆粒的加入使材料的韌性顯著提高，但高溫力學(xué)性能有所下降。高，但高溫力學(xué)性能有所下降。 第五節(jié)第五節(jié) 填料填料10.1 10.1 填料的種類(lèi)和作用填料的種類(lèi)和作用10.1.1 10.1.1 種類(lèi)種類(lèi)10.1.2 10.1.2 作用作用10.2 10.2 填料填料/ /聚合物復(fù)合材料的制備方法聚合物復(fù)合材料的制備方法填填料料的的分分類(lèi)類(lèi)化學(xué)組成化學(xué)組成來(lái)來(lái) 源源外觀形態(tài)外觀形態(tài)填料功能填料功能無(wú)機(jī)填料無(wú)機(jī)填料合成填料合成填料天然填料天然填料增強(qiáng)劑增強(qiáng)劑有機(jī)填料有機(jī)填料填充劑填充劑粒狀粒狀片狀片狀纖維狀纖維狀中空微珠中空微珠返回返回填料的作用填料的作用 增量作用：增量作用： 降低制品價(jià)格；降低制品價(jià)格； 改性作用：改性作用： 顯顯著改善制品機(jī)械性能，耐摩擦性，耐老化等性能。著改善制品機(jī)械性能，耐摩擦性，耐老化等性能。 活性填料：起活性填料：起補(bǔ)強(qiáng)作用補(bǔ)強(qiáng)作用，可提高制品性能，可提高制品性能 惰性填料：起惰性填料：起稀釋作用稀釋作用，降低了制品強(qiáng)度，降低了制品強(qiáng)度 返回返回可相互轉(zhuǎn)化可相互轉(zhuǎn)化聚合物聚