晶须的研究

材料090121沙漠22周泽24高旭瑞25陈志27马强28张永峰30方源29赵荣琪31郑诗远23朱晓威26周明远晶须简介•晶须（Whiskers）是一种纤维状单晶体，横断面几乎一致，内外结构高度完整，长径一般在5-1000以上，直径通常在200nm-100um之间。在液相或固相反应中，晶须的生长受哪些因素所控制？•固相：1.反应温度的影响2.反应时间的影响3.升温速率的影响•液相：温度的影响pH值的影响浆料浓度的影响反应时间的影响在什么条件下，晶体易朝纵向方向生长？为什么？•(1)合成温度是影响晶须质量最主要的因素，晶须在1000℃左右开始大量合成，随着合成温度的升高，晶须直径明显呈增大趋势，而长径比则呈减少趋势；•(2)升温速率对晶须质量影响较显著，在晶核形成之后升温速度应当适中。•(3)保温时间对晶须质量影响较小，时间太短或过长会一定程度上影响到晶须的均匀性，但晶须形态差别不太明显；•(4)六钛酸钾晶须的最优制备工艺为：合成温度为1000℃，保温1h～1．5h，升温至U800％之后保持3℃／min升温速度。晶须及其复合材料开发应用现状•据不完全统计，目前晶须的年生产总量已超过万吨。在国际市场上已有出售的晶须主要有钛酸钾晶须及其导电晶须、镁盐(碱式硫酸镁)晶须、碳化硅晶须、硼酸铝晶须、氧化锌晶须、石墨晶须和氧化钛晶须等。其中钛酸钾晶须用量最大，约占整个晶须市场的一大半。钛酸钾晶须结构图钛酸钾晶须的性能特点•组成不同的钛酸钾晶须在结构和性能上差异显著．其中以n=4,6，即四钛酸钾和六钛酸钾晶须的实用价值最大，四钛酸钾具有很好的化学活性；六钛酸钾具有优良的力学和物理性能，稳定的化学性质、优异的耐腐蚀性、耐热隔热性、耐磨性、润滑性，高的电气绝缘性，还具有红外反射率高，高温下导热系数极低硬度低的特点钛酸钾晶须合成方法比较二,四,六钛酸钾晶体结构图八钛酸钾的晶体结构图钛酸钾晶须的主要性能•(1)优异的摩擦及滑动性能•(2)对设备磨损小•(3)高的绝缘性能•(4)优异耐热、隔热性能和红外波长反射性能钛酸钾晶须的优点介绍一•钛酸钾晶须是一种新型高性能复合材料增强体，它具有较大的长径比，以相对低廉的价格和优良的性能逐渐受到研究者的重视。•作为高分子材料的增强增韧剂，钛酸钾晶须除能明显提高材料的力学性能外，也能改善材料的耐磨、防滑及尺寸稳定性等性能，此外，由于其硬度较低，对成型加工设备与模具的损伤也较小。•目前，钛酸钾晶须已被广泛应用于聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、尼龙（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚醚砜（PESU）、钛酸钾晶须的优点介绍二•钛酸钾晶须经表面化学处理，涂覆上硅烷偶联剂等后，可以用作工程塑料的增强材料。•钛酸钾晶须的几何尺寸很小，所以与玻璃纤维和碳纤维等相比较，它具有微增强、流动性好、成型性好、复合材料的再生循环使用性能好等优点。•钛酸钾晶须可以显著改善复合材料的耐磨性、滑动性能、表面光滑性和尺寸精度。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料。到目前为止，国内已经有近100家刹车片生产厂家索取了六钛酸钾晶须。车的刹车性能确实很重要，起速快的同时也要刹得紧，不然遇到那些不遵守交通规则的人，很难不出事故的。钛酸钾晶须在摩擦方面的作用1.钛酸钾晶须的选择162.六钛酸钾晶须在摩擦材料中所起的作用203.与其它摩擦材料的比较244.钛酸钾摩擦材料市场预测27最新刹车片摩擦材料—六钛酸钾晶须•六钛酸钾晶体结构中，Ti的配位数为6，以TiO6八面体通过共棱和共面连结而成连锁的隧道式结构，K＋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TiO6八面体通过共边和共角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。•但是,由于八钛酸钾的生产工艺更复杂,成本更高,且六钛酸钾的隔热性能和耐摩擦稳定性更好,所以用于摩擦材料增强材料的主要是六钛酸钾。六钛酸钾晶须性能表六钛酸钾晶须在酸、碱、盐中的溶解数据晶须状六钛酸钾在扫描电镜下的形貌特征15增加安全性能•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，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。减小刹车噪音•六钛酸钾晶须本身具有高温吸音性能。•刹车片在制动过程中因与刹车鼓摩擦既释放出巨大的能量，伴随着刹车片的温度快速升高，又产生了较大的噪音，对环境形成了噪音污染。六钛酸钾晶须的加入，对减小制动产生从噪音会起到积极的作用。减少环境污染•同为摩擦材料的石棉，不仅在制作刹车片的过程中对人构成伤害和给周围环境带来污染，而且报废了石棉刹车片也会对环境构成污染。六钛酸钾晶须则不仅化学性能稳定，而且无毒无害，不会伤及人类安全和构成环境污染。另外，晶须不像纤维，在制动过程中因摩擦产生的粉尘可能会飘浮在空气中并吸入体内，而是迅速沉降到地面，避免了对人体的伤害和大气的污染。延长使用寿命•石棉类摩擦材料在230℃时出现衰减现象，六钛酸钾晶须类摩擦材料在350℃时也没出现衰减现象，仍然能够维持稳定的摩擦性能。•由于六钛酸钾晶须的莫氏硬度只有4，存在于刹车片中，抗冲击性能优良，不吸潮、不与水起化学反应，可消除衰减现象，对刹车鼓和刹车片本身的磨损量会相对减小，同时，六钛酸钾晶须对摩擦过程中能量的反射和能量的缓慢传递，致使刹车片的温度升高缓慢，保持了摩擦系数的稳定性，也减小了磨损量，从而提高了刹车片的使用寿命。15与其它摩擦材料的比较•传统的摩擦材料以石棉为主，因为石棉对环境污染严重，对人体也具有潜在的致命的危险。当石棉的细微细微飞散在空气中被人体吸入，人体就会患上严重的疾病，包括使人的肺部产生瘢痕的石棉沉着病和另一种罕见的癌症间皮瘤。石棉导致的疾病潜伏期相对长，甚至可达40年之久。正因为知道了石棉的危害，人类才逐步探索石棉的替代材料，也才有了后来的玻璃纤维、金属纤维、耐热性有机纤维如凯夫拉（Kevlar）纤维等等。一些摩擦材料的性能数据从表4中可以看出，钛酸钾晶须的导热系数相对说来较小，机械性能亦良好，是较为理想的摩擦材料。对于石棉与钛酸钾纤维之摩擦材料，NASA（美国国家航空航天局）曾专门作过评价；•使用钛酸钾晶须的酚醛树脂基复合材料作汽车刹车片和离合器的衬片使用时石棉类摩擦材料190℃就产生老化现象，而钛酸钾类则在350℃也未出现老化现象；摩擦力比石棉类摩擦材料提高约50％；磨损量比石棉类摩擦材料减少约30％。•应该说，不论是钛酸钾晶须，还是钛酸钾纤维或鳞片状钛酸钾，在其性能上是明显优于石棉类摩擦材料的，对摩擦材料的改良也是十分有益的。15钛酸钾摩擦材料市场预测•摩擦材料包括盘式刹车片、鼓式刹车片、离合器面片、刹车带、火车闸瓦、钻机闸瓦及摩托车摩擦材料等等，石棉类摩擦材料将逐渐被淘汰，这是个不争的事实。•六钛酸钾和八钛酸钾类摩擦材料属于高性能摩擦材料，目前少数国内大企业已经使用到了高档轿车上，显示出了非常好的效果。山东韩京摩擦材料有限公司使用六钛酸钾晶须作大客车的刹车片作试验，希望为沃尔沃大客车配套。•随着市场经济的发展，产品的质量和适合环保要求显得越来越重要，甚至关系到企业的生死存亡，而作为性能优异的钛酸钾类摩擦材料，在未来的3～5年时间里，可以实现从引领高档轿车行业到向整个摩擦材料行业的全面渗透，从而整体提高我国的民族工艺水平。晶须增塑的原因高新技术的发展对材料提出了更高的要求，纤维增强复合材料成了关注对象。在众多的增强纤维中，晶须的强度和模量最高，它不仅能增强塑料、金属，还能增韧陶瓷。晶须之所以有这样高的性能，是因为它是在特殊的条件下以单晶形式生长成的纤维，其直径极小，是微米和百纳米级尺寸，很难容纳大晶体中的那些缺陷，具有高度有序的原子排列结构，因而可接近材料的原子间价键的理论强度。钛酸钾晶须在增强塑料中应用研究动态•玻璃纤维是使用最广泛的塑料增强纤维。但由于其纤维粗大，从而在复杂磨具中难以分布均匀，产生机械强度差的贫纤维区，另外，存在制品的表面光洁度差，加工时对磨具磨损严重等缺点。•六钛酸钾晶须具有很多优异的特性，加上尺寸细微，在树脂中分散性极好，使之克服了玻璃纤维的诸多特点，在作为塑料增强材料时，具有不增加熔体粘度，易与材料复合，易成型形状复杂，细小，精度好，表面光洁度高的制品，对成型设备和磨具损伤小等优点，可用于制造精密齿轮，轴承，垫片，阀门等。晶须增强复合材料的机制•晶须属不连续纤维。根据增强理论，纤维与基体的模量比会影响每根纤维作用范围，影响要求纤维的最低浓度和长径比。•加于复合材料的负载应力可以通过基体在纤维问传递。因增强纤维比基体强度大，模量高，纤维的局部抵抗形变会产生比纤维周围基体高得多的应力。•在塑料中，基体模量低，纤维的长径比(L／D)较大，纤维的密集程度必须高于某一最小值才能有明显的增强作用。钛酸钾晶须在增强塑料中应用实例•采用钛酸钾晶须和滑石粉协同增强聚丙烯,并添加POE作为增韧剂研究聚丙烯复合材料的性能。•实验发现:钛酸钾晶须对聚丙烯有很好的增强增韧效果,采用PP-g-MA做增容剂和表面处理过的晶须,具有更好的实验效果。聚丙烯复合材料的拉伸模量和弯曲模量均随钛酸钾晶须含量增加而显著上升。钛酸钾晶须增强工程塑料的性能钛酸钾晶须增强工程塑料的主要应用钛酸钾晶须增强塑料的研究中，几个值得注意的问题：(1)表面改性问题：晶须与基体界面结合状态良好与否直接关系到复合材料整个性能，钛酸钾晶须的力学性能远高于玻璃纤维，由此推论钛酸钾晶须增强塑料的性能应该比玻纤的高得多，但事实并非如此。(2)缺口冲击强度问题：酸钾晶须对改善缺口冲击强度远不如改善抗拉强度、弯曲强度及弯曲模量那样明显。(3)无损加工问题：钛酸钾晶须由于细小，在表面处理和成型加工过程中极易折断。而晶须只有保持一定的长径比才能使其增强复合材料体现出理想的性能。因此如何使晶须少受或免受损伤是一非常重要的问题。(4)含量问题：钛酸钾晶须加入树脂的含量以25％～35％为最佳。