高性能增強(qiáng)和導(dǎo)電纖維材料鈦酸鉀晶須

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1、高性能增強(qiáng)和導(dǎo)電纖維材料鈦酸鉀晶須隗學(xué)禮趙寬放(中國科學(xué)院金屬研究所沈陽110016;E-mail:xlwei@imr.ac.cn)我們研制的鈦酸鉀晶須是一種新型的針狀單晶纖維。由于它的尺寸十分細(xì)小(直徑為0.2～1.5微米，長10～80微米)，結(jié)晶十分完整，因而具有十分優(yōu)良的物理機(jī)械性能：高強(qiáng)度、高模量、高的耐熱、隔熱、電氣絕緣性能和優(yōu)異的紅外反射性能，由于它化學(xué)性能十分穩(wěn)定，與塑料復(fù)合相容性好，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐摩耗性和潤滑性及出色的尺寸穩(wěn)定性。同玻纖和碳纖相比，有顯微填充好，模塑制品尺寸精度和穩(wěn)定性好、表面光

2、滑，對設(shè)備和模具磨損小等許多顯著的優(yōu)點(diǎn)。極適合制作精小薄壁形狀復(fù)雜部件、滑動(dòng)部件和輕質(zhì)高強(qiáng)耐熱部件等。近來，我們在鈦酸鉀晶須的基礎(chǔ)上，采用還原法和包覆導(dǎo)電層法制備了高品質(zhì)導(dǎo)電性的鈦酸鉀晶須。這種導(dǎo)電晶須不僅保持了原有鈦酸鉀晶須的優(yōu)良物理化學(xué)性質(zhì)，而且晶須還具備了在冷熱環(huán)境下均勻穩(wěn)定的導(dǎo)電性、可按需求設(shè)計(jì)任意適當(dāng)?shù)碾娮柚?、并可任意著色。已發(fā)展成為現(xiàn)代21世紀(jì)的先進(jìn)復(fù)合材料必不可少的高性能增強(qiáng)劑。它可廣泛用于汽車、電子電器、機(jī)械、化工、建筑等工業(yè)部門。一、鈦酸鉀晶須的形貌和主要性能鈦酸鉀晶須的化學(xué)式可用K2O.nT

3、iO2表示，n為1～8。在工業(yè)上有應(yīng)用價(jià)值的是n=2,4,和6，8，即為2-鈦酸鉀（K2Ti2O5）、4-鈦酸鉀（K2Ti4O9）和6-鈦酸鉀（K2Ti6O13）、8-鈦酸鉀（K2Ti8O17）、。2-和4-鈦酸鉀為層狀結(jié)構(gòu)，顯示出化學(xué)活性，可應(yīng)用于陽離子吸附材料及催化劑載體等方面；而6-鈦酸鉀和8-鈦酸鉀是隧道結(jié)構(gòu)，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐酸、耐堿性能好，可廣泛用于工程塑料、摩擦材料及隔熱、絕緣材料，應(yīng)用前景十分廣闊。照片1是6-鈦酸鉀的掃描電鏡形貌特征。表1.鈦酸鉀晶須的性能特征數(shù)值化學(xué)式K2Ti6O13（六鈦酸鉀

4、）外觀白色粉體狀掃描電鏡形貌針狀晶體尺寸平均直徑0.2～1.5μm平均長度10～80μm耐熱溫度1200℃（在空氣中）熔點(diǎn)高于1300℃堆積密度約0.3g/cm3真密度約3.3g/cm3莫氏硬度4拉伸強(qiáng)度7000MPa(計(jì)算值)彈性模量280GPa(計(jì)算值)比電阻3.3×1015Ωcm水分含量<0.5%PH值7～9（分散在水中）紅外反射性能優(yōu)異摩擦性能良好隔熱性能良好鈦酸鉀晶須掃描電鏡形貌二、鈦酸鉀晶須的主要特點(diǎn)和用途由于鈦酸鉀晶須具有表1所列優(yōu)良的物理和力學(xué)性能，因此在實(shí)際應(yīng)用中顯示出它許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。表2比

5、較了鈦酸鉀晶須與玻纖、碳纖性能?？梢悦黠@看出鈦酸鉀晶須尺寸小、強(qiáng)度高，而硬度較低。這恰好彌補(bǔ)了玻纖和碳纖的弱點(diǎn)：增強(qiáng)塑料時(shí)模塑流動(dòng)性差、對螺桿和模具磨損大、制件表面不光潔、摩擦滑動(dòng)性不好等。表2.鈦酸鉀晶須與玻纖、碳纖性能比較種類鈦酸鉀晶須高強(qiáng)碳纖維玻璃纖維化學(xué)組成K2Ti6O13石墨E－玻纖外觀白色針狀結(jié)晶黑色長纖維無色長纖維纖維直徑0.2～1.57～9μm9～13μm比重3.31.742.6抗張強(qiáng)度7000MPa3100MPa2700MPa彈性模量280GPa230GPa0GPa莫氏硬度45.56.5鈦酸鉀

6、晶須具有如下的實(shí)用特征：1.具有優(yōu)良的顯微增強(qiáng)和填充能力：由于鈦酸鉀晶須尺寸細(xì)微，其長度僅相當(dāng)于玻璃纖維的直徑，長徑比也合適，作為超微精密增強(qiáng)材料有顯著的效果。它可以與無填充的樹脂進(jìn)行同樣的成型操作，使精小復(fù)雜部件的超薄壁和極狹小的部位(20μm)也能得到均勻的填充。2.優(yōu)異的耐磨損及摩擦滑動(dòng)性能：用鈦酸鉀晶須增強(qiáng)的復(fù)合材料本身具有優(yōu)異的耐磨損及摩擦滑動(dòng)性能。據(jù)美國航天局（NASA）實(shí)驗(yàn)確認(rèn)：使用鈦酸鉀晶須的復(fù)合材料作汽車剎車片和離合器的襯片使用時(shí)，其摩擦性能維持到350℃以上也十分穩(wěn)定。而一般用的石棉系的摩擦

7、材料在200℃以下就發(fā)生衰退現(xiàn)象，而且二者相比前者比后者摩擦力要提高50％，磨損量卻減少32％。實(shí)踐證明：只要與適當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)附加劑相配合，就可以設(shè)計(jì)出無需用潤滑劑而具有良好滑潤性及耐磨損的復(fù)合材料，而且使對磨材料不被磨損。3.優(yōu)良的表面平滑性及高的尺寸精度和穩(wěn)定性：用鈦酸鉀晶須精細(xì)增強(qiáng)的工程塑料制品可以得到極高的尺寸精度和光潔的平滑表面。其光潔平滑度可與未填充的工程塑料制品相比擬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過碳纖和玻纖增強(qiáng)材料制品。經(jīng)鈦酸鉀晶須填充以后的復(fù)合材料，線膨脹系數(shù)及成型收縮率大大減小，使成形部件受熱和冷卻時(shí)都能保持足夠的尺

8、寸穩(wěn)定性。4.成型性能好，對加工設(shè)備和模具磨損小：因鈦酸鉀晶須的硬度比碳纖和玻纖的硬度小，因而對成型加工設(shè)備和模具磨損小。再加上用鈦酸鉀晶須增強(qiáng)的復(fù)合材料成型流動(dòng)性好，接近于無填充物的樹脂。其優(yōu)良的流動(dòng)性和精細(xì)的增強(qiáng)性配合，可以作到：即使用Φ100μm以下的針型澆口作的極小量部件及20μm的超薄壁部件也均可成型。5.增強(qiáng)復(fù)合材料再生循環(huán)使用性能好：由鈦酸鉀晶須增強(qiáng)的塑料復(fù)合材料具有良好