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鄒小姐：13326633089 -
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前段時間，借由新能源粉體材料論壇的話題，我們討論了正極材料用匣缽，它的主角正是莫來石，莫來石作為一種性能優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，在冶金、建筑和軍工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，最常見的就是用作耐火材料。莫來石制備的耐火新材料廣泛應(yīng)用于馬弗爐、煅燒爐、鍋爐、回轉(zhuǎn)窯等高溫設(shè)備中，具有高熔點、膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性極好、荷重軟化點高、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學(xué)腐蝕性好等優(yōu)點。
剛玉莫來石匣缽
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但莫來石的應(yīng)用遠不止如此，制備成特殊的形貌還可以作為功能添加劑使用，這就要從其結(jié)構(gòu)的特殊性說起了。
莫來石的晶體結(jié)構(gòu)是由鋁氧四面體[AlO4]和硅氧四面體[SiO4]沿c軸排列組成雙鏈，雙鏈間由鋁氧八面體[AlO6]連接，在自由生長環(huán)境下易沿c軸優(yōu)勢生長，因此可通過控制合成條件來獲得針狀的莫來石晶須。晶須直徑小，難以容納在大晶體中常出現(xiàn)的缺陷，原子高度有序，因而其強度接近于完整晶體的理論值，被譽為“二十一世紀的補強材料”，用作陶瓷和聚合物基復(fù)合材料的補強劑，有著突出的效用。
莫來石的常見晶型及材料性質(zhì)
莫來石晶須的制備方法
1. 固相法
固相法指的是壓制成型后的固態(tài)物質(zhì)在低于熔點的高溫作用下，通過坯體間顆?；ハ嗾辰Y(jié)和物質(zhì)傳遞、氣孔排除，體積收縮等環(huán)節(jié)逐漸形成具有一定形狀和強度的燒結(jié)體。固態(tài)物質(zhì)間的反應(yīng)活性較低，反應(yīng)速度較慢，直接通過固相法難以制備出莫來石晶須，一般需要添加一定的助劑以降低反應(yīng)溫度，促進晶須的原位生長。添加助劑后，莫來石晶須在形成過程中常伴隨著液相和氣相的反應(yīng)，這是與常規(guī)固相燒結(jié)最大的不同點。
常規(guī)燒結(jié)過程示意圖
常用的助劑為含氟助劑，其中對氟化鋁(AlF3)研究得最為廣泛，其他含氟物質(zhì)也有類似AlF3的催化效果，常用的包括六氟鋁酸銨和氟化銨。其他幾種助劑例如 MoO3、V2O5、WO3和磷酸鹽等，其作用機制主要是在高溫下形成液相，使莫來石化的起始溫度降低。不少研究者選擇兩種助劑聯(lián)用，以促進莫來石晶須的生長。
2. 熔鹽法
熔鹽法因熔鹽介質(zhì)為莫來石晶須的形成提供了液態(tài)環(huán)境，因此具有所需合成溫度低、產(chǎn)物形貌可控等優(yōu)點。將鹽與反應(yīng)物按照一定的比例配制反應(yīng)混合物，混合均勻后，加熱使鹽熔化，反應(yīng)物在鹽的熔體中進行反應(yīng)，生成產(chǎn)物，冷卻至室溫后，以去數(shù)次以除去其中的鹽得到產(chǎn)物粉體。
熔鹽法合成過程示意圖
在熔鹽的選擇上，由于NaSO4熔鹽和Al2(SO4)3可形成低共熔混合物，當(dāng)兩者質(zhì)量比為66∶34時，可形成熔點為640℃的低共熔混合物，因此眾多研究者以NaSO4作為熔鹽介質(zhì)制備莫來石。通常莫來石晶須的純度及形貌主要受熔鹽介質(zhì)在高溫時的黏度以及莫來石晶須在熔鹽中的溶解度影響，選擇過飽和度較低的熔鹽類型容易獲得高純度的莫來石晶須。
3. 溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法通過以無機物或金屬醇鹽均勻混合作為前驅(qū)體原料在經(jīng)過水解和縮合的化學(xué)反應(yīng)后，再經(jīng)過膠粒的聚合，從而制備出具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠。再將其放入恒溫干燥箱中進行干燥，經(jīng)過熱處理后，有機成分氧化揮發(fā)掉了，最終得到無機非金屬材料。傳統(tǒng)溶膠-凝膠法合成莫來石的溫度通常在1200 ℃以上，樣塊會發(fā)生燒結(jié)致密化，制備的莫來石晶須長徑比較小。
通常莫來石前驅(qū)體溶液的pH對合成莫來石晶須有較大影響，一般在酸性條件下，前驅(qū)體的均勻性較好，能制得均質(zhì)且高純的莫來石。
溶膠-凝膠法合成示意圖
莫來石晶須的應(yīng)用
1. 用于陶瓷增韌補強
目前，莫來石晶須最廣泛的應(yīng)用是利用其優(yōu)異的力學(xué)性能對陶瓷材料進行增韌補強。莫來石晶須增韌補強陶瓷的機制主要包括裂紋偏轉(zhuǎn)或分岔、拔出效應(yīng)、橋聯(lián)效應(yīng)三種機制。而晶須能否起到增韌補強效果，與晶須-陶瓷基體的界面結(jié)合狀態(tài)和物理化學(xué)相容性等密切相關(guān)：
（1）晶須與基體界面結(jié)合力要適當(dāng)；
（2）晶須的彈性模量和熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能接近或稍大于陶瓷基體，以便減小界面處的剪應(yīng)力，否則將造成宏觀裂紋，使復(fù)合材料力學(xué)性能惡化；
（3）晶須與基體應(yīng)盡量避免在界面處產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。
晶須補強陶瓷的傳統(tǒng)方法是在配料中添加預(yù)合成晶須，不過添加預(yù)合成莫來石晶須的方法存在莫來石晶須分布均勻性差、晶須-基體界面結(jié)合強度低等缺點，因而一般采用原位生成莫來石晶須的方法，一般可有效提高材料的力學(xué)性能，特別是高溫抗彎強度。
原位合成莫來石晶須增韌氧化鋁陶瓷
2. 用于隔熱保溫材料
隨著二氧化硅氣凝膠的逐步應(yīng)用，莫來石纖維增強二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料在保溫隔熱領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，這種復(fù)合氣凝膠具有體積密度小、熱導(dǎo)率低和力學(xué)性能優(yōu)異等特點，但纖維-氣凝膠界面較差的力學(xué)性能嚴重限制了該材料的開發(fā)與應(yīng)用，還需進一步研究突破。
復(fù)合氣凝膠保溫材料
3. 用于過濾與吸附材料
莫來石晶須還可用于制備水油分離的莫來石晶須微孔過濾膜，并可通過改變燒結(jié)溫度等參數(shù)來控制莫來石晶須的生長來獲得適宜的氣孔率和孔徑大小。同時，還可用來制備體積密度小、熱導(dǎo)率低、過濾特性良好莫來石晶須增強多孔陶瓷，這種復(fù)相多孔陶瓷具有穩(wěn)定性好、重復(fù)利用率高、離子吸附能力強等特點。
水油分離過濾膜
4. 用于聚合物性能優(yōu)化
莫來石晶須還可用于優(yōu)化聚合物的性能，例如添加莫來石晶須有助于提高樹脂基材料的摩擦穩(wěn)定性，但晶須的長徑比過高會導(dǎo)致磨損率的增加，最佳的長徑比為14左右。
提高樹脂基地板漆的耐磨性
5. 其他
還可以通過在具有陶瓷涂層的復(fù)合材料表面原位生長莫來石晶須，莫
來石晶須可有效提高涂層界面結(jié)合強度，增強制品的抗熱震性。
用于涂層增強
總結(jié)
目前，莫來石晶須的主流制備方法主要有原位生長法和熔鹽法。原位生長法具有工藝流程短、操作簡單等優(yōu)點，但晶須的生長過程難以控制。采用熔鹽法可在較低溫度下合成莫來石晶須；但其生長速度慢，周期長，許多熔鹽的揮發(fā)物常腐蝕或污染爐體和環(huán)境，難以進行回收利用。莫來石晶須的主要應(yīng)用集中于多孔陶瓷的增強增韌，力學(xué)性能得到優(yōu)化的多孔陶瓷可應(yīng)用于隔熱保溫、過濾與吸附等諸多領(lǐng)域。今后，對莫來石晶須的制備、生長機制和應(yīng)用的研究，開發(fā)工藝簡便、節(jié)能環(huán)保、成本低廉的方法，制備高純、高長徑比的莫來石晶須，以及探討其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用是未來的方向。
參考來源：
1.莫來石晶須的制備、生長機制及應(yīng)用研究進展，劉朝陽、潘松陽、董澤明、文俊、王駿陽、于景坤（耐火材料）；
2.無機晶須材料的研究和應(yīng)用進展，崔小明、金棟（塑料制造）；
3.晶須補強陶瓷基復(fù)合材料界面研究進展，黃勇、張宗濤、江作昭（硅酸鹽學(xué)報）。
粉體圈小吉
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