晶须及其应用的研究

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1、晶须及其应用的研究第一章：综述1.1引言随着现代高科技的迅速发展，复合材料的优异性能越来越引起世界各国的高度重视。晶须作为制备陶瓷基复合材料、金属基复合材料和聚合物基复合材料的主要补强增韧剂之一，新型复合材料的高速发展在很大程度上推动了各种晶须材料的研发。1574年，ErkerL.在铜和银的硫酸矿表面发现了毛发或胡须状物质。1661年，BoyleR.比较了石块和玻璃上的银晶须的生长。1952年美国Bell电话公司HerringC.和GaltJ.R.首次在实验室测定了Sn晶须的强度，发现其强度远远大于普通

2、金属Sn的强度，接近理论强度。此后，晶须渐渐被人们所关注，有关晶须制备和应用的研究工作逐步开展。有关晶须的研究主要经历了晶须的制备和应用研究两个阶段，20世纪40年代至60年代，材料科学家大都致力于多种晶须的生长、制备方法及生长机理的研究，但此阶段晶须的研究由于受到制备工艺条件苛刻及晶须产品成本高的限制，仅停留在实验室研究。随着β-SiC晶须的问世，20世纪70年代晶须的研发才进入应用阶段，此阶段开展了许多晶须增强增韧复合材料方面的研究工作，但价格问题一直阻碍着晶须的广泛应用。直到20世纪80年代初，美

3、国和日本才实现了大规模生成β-SiC晶须及其它许多晶须新品种，但这些晶须主要还只是用于军事和航空航天等特种行业。20世纪80年代初期，我国开始对晶须进行初步的研究，起步较晚，但也取得了一定的成绩。迄今为止，已经开发了100多种不同的晶须。晶须的应用主要是作为复合材料的增强增韧剂。晶须增强的研究工作最初是以金属实现的。20世纪80年代，晶须增强、增韧复合材料机理的研究取得了深入发展，日本、美国走在了前列。国内的研究起步虽晚，但也取得了较大的成就，如晶须增强金属基复合材料的研究、晶须增强陶瓷基复合材料的研究

4、、晶须增强塑料橡胶复合材料的研究等。晶须增强增韧复合材料，既能保留基体材料的特点，又能通过晶须的增强、增韧作用改善基体材料的力学性能。当前，晶须及其应用的研究已成为世界各国关注的热点，晶须以其优良的性能可被广泛应用于航空航天、建筑工业、机械工业、汽车工业、化学工业、生物医学材料、日常工业及特殊功能材料等领域，展示了十分广阔的应用前景。1.2晶须1.2.1晶须特征晶须是指具有一定长径比(一般大于10)和截面积小于52×10-5cm2的一种针状单晶体材料。晶须是以单晶形式生长的形状类似于短纤维，而尺寸远小于

5、短纤维的须状单晶体。由于单晶体的这一结构特性，决定了其强度几乎达到了理论计算值(即价键组合强度值)，是目前发现的固体的最强形式，其强度远远超过目前大量使用的各种增强剂。晶须直径极小，约为0.1-10μm，长径比在5-1000之间。由于晶须在结晶时原子结构排列高度有序，以致容纳不下能够削弱晶体的较大缺陷，如颗粒界面、空洞、位错及结构不完整等。近乎完整的晶体结构，使晶须具有惊人的力学强度，作为塑料、涂料和轻脆质类无机等材料的改性添加剂，显示出极优良的物理化学性质和优异的机械性能，被称为21世纪的补强增韧材料

6、。1.2.2晶须分类从1948年美国贝尔电话公司的科学家首次发现晶须以来，迄今为止材料学家们研究开发出了数百种晶须，有金属、氧化物、碳化物、氮化物、硼化物以及无机盐等类晶须。晶须材料可分为有机和无机两大类晶须。其中有机晶须主要有纤维素晶须、聚(丙烯酸丁酯2苯乙烯)晶须、聚(42羟基苯甲酸酯)(PHB)晶须等几种类型，在聚合物中应用较多。无机晶须主要包括非金属晶须和金属晶须两类，其中在聚合物材料中应用较多的是非金属晶须，金属晶须主要用于金属基复合材料中。非金属晶须中的陶瓷质晶须的强度和耐热性优于金属晶须，

7、是无机晶须中较为重要的一类。它包括碳化硅晶须、氮化硅晶须、莫来石晶须、硅酸钙晶须、硫酸钙晶须、碳酸钙晶须和镁盐晶须等。1.2.3晶须特性(1)力学性能一般晶须延伸率与玻璃纤维相当，而拉伸模量与硼纤维相当，兼具这两种纤维的最佳性能。所有晶须的通性是具有较高的力学强度。晶须作为细微的单晶体，内部结构十分完整，其强度至少比相应的普通材料高一个数量级。部分晶须与相应普通材料的抗拉强度比较如图1-2所示。从图中可以看出，各种晶须的强度均大大高于对应的普通材料。同时，晶须能弹性地承受较大的应变而无永久变形，晶须经4

8、%的应变还在弹性范围内，不产生永久形变，而块状晶体的弹性变形范围却小于0.1%。研究还发现，晶须的直径对强度有着重要的影响，晶须强度与直径的关系。从图中可知，晶须直径小于10μm时，其强度急剧增加。直径低于1μm可使晶须的强度接近理论值，直径为100μm时晶须的强度急剧下降，几乎与普通材料相当。随着晶须尺寸的变大，晶须晶格缺陷增多，导致强度下降。可见，若要使晶须的强度接近理论值，优化出适宜工艺参数制备出直径小、长径比大的具有单晶结构的晶须产