高性能增强和导电纤维材料钛酸钾晶须

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1、高性能增强和导电纤维材料钛酸钾晶须隗学礼赵宽放(中国科学院金属研究所沈阳110016;E-mail:xlwei@imr.ac.cn)我们研制的钛酸钾晶须是一种新型的针状单晶纤维。由于它的尺寸十分细小(直径为0.2～1.5微米，长10～80微米)，结晶十分完整，因而具有十分优良的物理机械性能：高强度、高模量、高的耐热、隔热、电气绝缘性能和优异的红外反射性能，由于它化学性能十分稳定，与塑料复合相容性好，表现出优良的耐摩耗性和润滑性及出色的尺寸稳定性。同玻纤和碳纤相比，有显微填充好，模塑制品尺寸精度和稳定性好、表面光滑，对设备和模具磨损小等许多显著的优点。极适合制作精小薄壁形状复杂部件、滑动部件

2、和轻质高强耐热部件等。近来，我们在钛酸钾晶须的基础上，采用还原法和包覆导电层法制备了高品质导电性的钛酸钾晶须。这种导电晶须不仅保持了原有钛酸钾晶须的优良物理化学性质，而且晶须还具备了在冷热环境下均匀稳定的导电性、可按需求设计任意适当的电阻值、并可任意着色。已发展成为现代21世纪的先进复合材料必不可少的高性能增强剂。它可广泛用于汽车、电子电器、机械、化工、建筑等工业部门。一、钛酸钾晶须的形貌和主要性能钛酸钾晶须的化学式可用K2O.nTiO2表示，n为1～8。在工业上有应用价值的是n=2,4,和6，8，即为2-钛酸钾（K2Ti2O5）、4-钛酸钾（K2Ti4O9）和6-钛酸钾（K2Ti6O13

3、）、8-钛酸钾（K2Ti8O17）、。2-和4-钛酸钾为层状结构，显示出化学活性，可应用于阳离子吸附材料及催化剂载体等方面；而6-钛酸钾和8-钛酸钾是隧道结构，化学性能稳定，耐酸、耐碱性能好，可广泛用于工程塑料、摩擦材料及隔热、绝缘材料，应用前景十分广阔。照片1是6-钛酸钾的扫描电镜形貌特征。表1.钛酸钾晶须的性能特征数值化学式K2Ti6O13（六钛酸钾）外观白色粉体状扫描电镜形貌针状晶体尺寸平均直径0.2～1.5μm平均长度10～80μm耐热温度1200℃（在空气中）熔点高于1300℃堆积密度约0.3g/cm3真密度约3.3g/cm3莫氏硬度4拉伸强度7000MPa(计算值)弹性模量28

4、0GPa(计算值)比电阻3.3×1015Ωcm水分含量<0.5%PH值7～9（分散在水中）红外反射性能优异摩擦性能良好隔热性能良好钛酸钾晶须扫描电镜形貌二、钛酸钾晶须的主要特点和用途由于钛酸钾晶须具有表1所列优良的物理和力学性能，因此在实际应用中显示出它许多独特的优点。表2比较了钛酸钾晶须与玻纤、碳纤性能。可以明显看出钛酸钾晶须尺寸小、强度高，而硬度较低。这恰好弥补了玻纤和碳纤的弱点：增强塑料时模塑流动性差、对螺杆和模具磨损大、制件表面不光洁、摩擦滑动性不好等。表2.钛酸钾晶须与玻纤、碳纤性能比较种类钛酸钾晶须高强碳纤维玻璃纤维化学组成K2Ti6O13石墨E－玻纤外观白色针状结晶黑色长纤维

5、无色长纤维纤维直径0.2～1.57～9μm9～13μm比重3.31.742.6抗张强度7000MPa3100MPa2700MPa弹性模量280GPa230GPa0GPa莫氏硬度45.56.5钛酸钾晶须具有如下的实用特征：1.具有优良的显微增强和填充能力：由于钛酸钾晶须尺寸细微，其长度仅相当于玻璃纤维的直径，长径比也合适，作为超微精密增强材料有显著的效果。它可以与无填充的树脂进行同样的成型操作，使精小复杂部件的超薄壁和极狭小的部位(20μm)也能得到均匀的填充。2.优异的耐磨损及摩擦滑动性能：用钛酸钾晶须增强的复合材料本身具有优异的耐磨损及摩擦滑动性能。据美国航天局（NASA）实验确认：使用

6、钛酸钾晶须的复合材料作汽车刹车片和离合器的衬片使用时，其摩擦性能维持到350℃以上也十分稳定。而一般用的石棉系的摩擦材料在200℃以下就发生衰退现象，而且二者相比前者比后者摩擦力要提高50％，磨损量却减少32％。实践证明：只要与适当的滑动附加剂相配合，就可以设计出无需用润滑剂而具有良好滑润性及耐磨损的复合材料，而且使对磨材料不被磨损。3.优良的表面平滑性及高的尺寸精度和稳定性：用钛酸钾晶须精细增强的工程塑料制品可以得到极高的尺寸精度和光洁的平滑表面。其光洁平滑度可与未填充的工程塑料制品相比拟，远远超过碳纤和玻纤增强材料制品。经钛酸钾晶须填充以后的复合材料，线膨胀系数及成型收缩率大大减小，使

7、成形部件受热和冷却时都能保持足够的尺寸稳定性。4.成型性能好，对加工设备和模具磨损小：因钛酸钾晶须的硬度比碳纤和玻纤的硬度小，因而对成型加工设备和模具磨损小。再加上用钛酸钾晶须增强的复合材料成型流动性好，接近于无填充物的树脂。其优良的流动性和精细的增强性配合，可以作到：即使用Φ100μm以下的针型浇口作的极小量部件及20μm的超薄壁部件也均可成型。5.增强复合材料再生循环使用性能好：由钛酸钾晶须增强的塑料复合材料具有良好