高性能增強和導電纖維材料鈦酸鉀晶須

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1、高性能增強和導電纖維材料鈦酸鉀晶須隗學禮趙寬放(中國科學院金屬研究所沈陽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小(直徑為0.2～1.5微米，長10～80微米)，結晶十分完整，因而具有十分優(yōu)良的物理機械性能：高強度、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，由于它化學性能十分穩(wěn)定，與塑料復合相容性好，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、表面光滑，對設備和模具磨損小等許多顯著的優(yōu)點。極適合制作精小薄壁

2、形狀復雜部件、滑動部件和輕質(zhì)高強耐熱部件等。近來，我們在鈦酸鉀晶須的基礎上，采用還原法和包覆導電層法制備了高品質(zhì)導電性的鈦酸鉀晶須。這種導電晶須不僅保持了原有鈦酸鉀晶須的優(yōu)良物理化學性質(zhì)，而且晶須還具備了在冷熱環(huán)境下均勻穩(wěn)定的導電性、可按需求設計任意適當?shù)碾娮柚?、并可任意著色。已發(fā)展成為現(xiàn)代21世紀的先進復合材料必不可少的高性能增強劑。它可廣泛用于汽車、電子電器、機械、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式可用K2O.nTiO2表示，n為1～8。在工業(yè)上有應用價值的是n=2,4,和6，8，即為2-鈦酸鉀（K2Ti2O5）、4-鈦酸鉀（K

3、2Ti4O9）和6-鈦酸鉀（K2Ti6O13）、8-鈦酸鉀（K2Ti8O17）、。2-和4-鈦酸鉀為層狀結構，顯示出化學活性，可應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-鈦酸鉀是隧道結構，化學性能穩(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)值化學式K2Ti6O13（六鈦酸鉀）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）熔點高于1300℃堆積密度約0.3g/cm3真密度約3.

4、3g/cm3莫氏硬度4拉伸強度7000MPa(計算值)彈性模量280GPa(計算值)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)良的物理和力學性能，因此在實際應用中顯示出它許多獨特的優(yōu)點。表2比較了鈦酸鉀晶須與玻纖、碳纖性能。可以明顯看出鈦酸鉀晶須尺寸小、強度高，而硬度較低。這恰好彌補了玻纖和碳纖的弱點：增強塑料時模塑流動性差、對螺桿和模具磨損大、制件表面不光潔、摩擦滑動性不好等。表2.鈦酸鉀晶須與玻纖、碳纖性能比較種類鈦

5、酸鉀晶須高強碳纖維玻璃纖維化學組成K2Ti6O13石墨E－玻纖外觀白色針狀結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抗張強度7000MPa3100MPa2700MPa彈性模量280GPa230GPa0GPa莫氏硬度45.56.5鈦酸鉀晶須具有如下的實用特征：1.具有優(yōu)良的顯微增強和填充能力：由于鈦酸鉀晶須尺寸細微，其長度僅相當于玻璃纖維的直徑，長徑比也合適，作為超微精密增強材料有顯著的效果。它可以與無填充的樹脂進行同樣的成型操作，使精小復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

6、滑動性能：用鈦酸鉀晶須增強的復合材料本身具有優(yōu)異的耐磨損及摩擦滑動性能。據(jù)美國航天局（NASA）實驗確認：使用鈦酸鉀晶須的復合材料作汽車剎車片和離合器的襯片使用時，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％。實踐證明：只要與適當?shù)幕瑒痈郊觿┫嗯浜希涂梢栽O計出無需用潤滑劑而具有良好滑潤性及耐磨損的復合材料，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：用鈦酸鉀晶須精細增強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

7、度可與未填充的工程塑料制品相比擬，遠遠超過碳纖和玻纖增強材料制品。經(jīng)鈦酸鉀晶須填充以后的復合材料，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都能保持足夠的尺寸穩(wěn)定性。4.成型性能好，對加工設備和模具磨損?。阂蜮佀徕浘ы毜挠捕缺忍祭w和玻纖的硬度小，因而對成型加工設備和模具磨損小。再加上用鈦酸鉀晶須增強的復合材料成型流動性好，接近于無填充物的樹脂。其優(yōu)良的流動性和精細的增強性配合，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.增強復合材料再生循環(huán)使用性能好：由鈦酸鉀晶須增強的塑料復合材料具有良好