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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良的高溫結構陶瓷材料，在冶金、建筑和軍工等領域有著廣泛的應用，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用于馬弗爐、煅燒爐、鍋爐、回轉窯等高溫設備中，具有高熔點、膨脹均勻、熱震穩定性極好、荷重軟化點高、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學腐蝕性好等優點。
剛玉莫來石匣缽
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但莫來石的應用遠不止如此，制備成特殊的形貌還可以作為功能添加劑使用，這就要從其結構的特殊性說起了。
莫來石的晶體結構是由鋁氧四面體[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，在自由生長環境下易沿c軸優勢生長，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
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物質在低于熔點的高溫作用下，通過坯體間顆粒互相粘結和物質傳遞、氣孔排除，體積收縮等環節逐漸形成具有一定形狀和強度的燒結體。固態物質間的反應活性較低，反應速度較慢，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，這是與常規固相燒結最大的不同點。
常規燒結過程示意圖
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用，以促進莫來石晶須的生長。
2. 熔鹽法
熔鹽法因熔鹽介質為莫來石晶須的形成提供了液態環境，因此具有所需合成溫度低、產物形貌可控等優點。將鹽與反應物按照一定的比例配制反應混合物，混合均勻后，加熱使鹽熔化，反應物在鹽的熔體中進行反應，生成產物，冷卻至室溫后，以去數次以除去其中的鹽得到產物粉體。
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，當兩者質量比為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體原料在經過水解和縮合的化學反應后，再經過膠粒的聚合，從而制備出具有三維網狀結構的凝膠。再將其放入恒溫干燥箱中進行干燥，經過熱處理后，有機成分氧化揮發掉了，最終得到無機非金屬材料。傳統溶膠-凝膠法合成莫來石的溫度通常在1200 ℃以上，樣塊會發生燒結致密化，制備的莫來石晶須長徑比較小。
通常莫來石前驅體溶液的pH對合成莫來石晶須有較大影響，一般在酸性條件下，前驅體的均勻性較好，能制得均質且高純的莫來石。
溶膠-凝膠法合成示意圖
莫來石晶須的應用
1. 用于陶瓷增韌補強
目前，莫來石晶須最廣泛的應用是利用其優異的力學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或分岔、拔出效應、橋聯效應三種機制。而晶須能否起到增韌補強效果，與晶須-陶瓷基體的界面結合狀態和物理化學相容性等密切相關：
（1）晶須與基體界面結合力要適當；
（2）晶須的彈性模量和熱膨脹系數應盡可能接近或稍大于陶瓷基體，以便減小界面處的剪應力，否則將造成宏觀裂紋，使復合材料力學性能惡化；
（3）晶須與基體應盡量避免在界面處產生化學反應。
晶須補強陶瓷的傳統方法是在配料中添加預合成晶須，不過添加預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性能，特別是高溫抗彎強度。
原位合成莫來石晶須增韌陶瓷
2. 用于隔熱保溫材料
隨著二氣凝膠的逐步應用，莫來石纖維增強二氧化硅氣凝膠復合材料在保溫隔熱領域受到越來越多的關注，這種復合氣凝膠具有體積密度小、熱導率低和力學性能優異等特點，但纖維-氣凝膠界面較差的力學性能嚴重限制了該材料的開發與應用，還需進一步研究突破。
復合氣凝膠保溫材料
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，并可通過改變燒結溫度等參數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、熱導率低、過濾特性良好莫來石晶須增強多孔陶瓷，這種復相多孔陶瓷具有穩定性好、重復利用率高、離子吸附能力強等特點。
水油分離過濾膜
4. 用于聚合物性能優化
莫來石晶須還可用于優化聚合物的性能，例如添加莫來石晶須有助于提高樹脂基材料的摩擦穩定性，但晶須的長徑比過高會導致磨損率的增加，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合強度，增強制品的抗熱震性。
用于涂層增強
總結
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，許多熔鹽的揮發物常腐蝕或污染爐體和環境，難以進行回收利用。莫來石晶須的主要應用集中于多孔陶瓷的增強增韌，力學性能得到優化的多孔陶瓷可應用于隔熱保溫、過濾與吸附等諸多領域。今后，對莫來石晶須的制備、生長機制和應用的研究，開發工藝簡便、節能環保、成本低廉的方法，制備高純、高長徑比的莫來石晶須，以及探討其產業化應用是未來的方向。
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用進展，崔小明、金棟（塑料制造）；
3.晶須補強陶瓷基復合材料界面研究進展，黃勇、張宗濤、江作昭（硅酸鹽學報）。
粉體圈小吉
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