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前段时间，借由新能源粉体材料论坛的话题，我们讨论了正极材料用匣钵，它的主角正是莫来石，莫来石作为一种性能优良的高温结构陶瓷材料，在冶金、建筑和军工等领域有着广泛的应用，最常见的就是用作耐火材料。莫来石制备的耐火新材料广泛应用于马弗炉、煅烧炉、锅炉、回转窑等高温设备中，具有高熔点、膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等优点。

刚玉(yu)莫(mo)来石匣钵

扩展阅读：

但莫来石的(de)应用(yong)远不止如(ru)此(ci)，制备成特殊(shu)的(de)形(xing)貌(mao)还可以作为功能添加剂(ji)使用(yong)，这就(jiu)要从其结构的(de)特殊(shu)性说起了。

莫来石的晶体结构是由铝氧四面体[AlO₄]和硅氧四面体[SiO₄]沿c轴排列组成双链，双链间由铝氧八面体[AlO₆]连接，在自由生长环境下易沿c轴优势生长，因此可通过控制合成条件来获得针状的莫来石晶须。晶须直径小，难以容纳在大晶体中常出现的缺陷，原子高度有序，因而其强度接近于完整晶体的理论值，被誉为“二十一世纪的补强材料”，用作陶瓷和聚合物基复合材料的补强剂，有着突出的效用。

莫来石的常见晶型及材料性质

莫来石晶须的制备(bei)方(fang)法(fa)

1. 固相法

固(gu)相法(fa)指(zhi)的(de)(de)(de)是压制(zhi)成型(xing)后的(de)(de)(de)固(gu)态物质在低(di)于熔点(dian)的(de)(de)(de)高温(wen)作用(yong)下，通过(guo)坯体(ti)间(jian)颗粒互相粘结(jie)(jie)和物质传递、气孔排除，体(ti)积收缩等环(huan)节逐渐形成具有一定形状和强(qiang)度(du)的(de)(de)(de)烧(shao)结(jie)(jie)体(ti)。固(gu)态物质间(jian)的(de)(de)(de)反(fan)应活(huo)性较低(di)，反(fan)应速度(du)较慢，直接通过(guo)固(gu)相法(fa)难以制(zhi)备出莫来(lai)(lai)石晶须，一般需要(yao)添(tian)加一定的(de)(de)(de)助剂以降低(di)反(fan)应温(wen)度(du)，促进晶须的(de)(de)(de)原位(wei)生长。添(tian)加助剂后，莫来(lai)(lai)石晶须在形成过(guo)程中(zhong)常(chang)伴(ban)随着液(ye)相和气相的(de)(de)(de)反(fan)应，这是与常(chang)规固(gu)相烧(shao)结(jie)(jie)最大的(de)(de)(de)不同点(dian)。

常规烧结过程示意图

常用的助剂为含氟助剂，其中对氟化铝(AlF₃)研究得最为广泛，其他含氟物质也有类似AlF₃的催化效果，常用的包括六氟铝酸铵和氟化铵。其他几种助剂例如 MoO₃、V₂O₅、WO₃和磷酸盐等，其作用机制主要是在高温下形成液相，使莫来石化的起始温度降低。不少研究者选择两种助剂联用，以促进莫来石晶须的生长。

2. 熔(rong)盐法

熔(rong)盐法(fa)因熔(rong)盐介(jie)质为莫来石晶(jing)须的(de)形(xing)成(cheng)提供了液(ye)态环(huan)境，因此(ci)具(ju)有所(suo)需合成(cheng)温度低、产物(wu)(wu)(wu)形(xing)貌可控等优(you)点。将盐与反应(ying)物(wu)(wu)(wu)按(an)照一定的(de)比例配制反应(ying)混合物(wu)(wu)(wu)，混合均(jun)匀(yun)后(hou)，加热使盐熔(rong)化，反应(ying)物(wu)(wu)(wu)在盐的(de)熔(rong)体中进行反应(ying)，生成(cheng)产物(wu)(wu)(wu)，冷(leng)却至室温后(hou)，以去(qu)数(shu)次以除(chu)去(qu)其中的(de)盐得(de)到产物(wu)(wu)(wu)粉体。

熔(rong)盐(yan)法合成过程示(shi)意图

在熔盐的选择上，由于NaSO₄熔盐和Al₂(SO₄)₃可形成低共熔混合物，当两者质量比为66∶34时，可形成熔点为640℃的低共熔混合物，因此众多研究者以NaSO4作为熔盐介质制备莫来石。通常莫来石晶须的纯度及形貌主要受熔盐介质在高温时的黏度以及莫来石晶须在熔盐中的溶解度影响，选择过饱和度较低的熔盐类型容易获得高纯度的莫来石晶须。

3. 溶(rong)胶-凝胶法

溶(rong)胶(jiao)(jiao)-凝胶(jiao)(jiao)法通过(guo)以(yi)无机(ji)(ji)物或(huo)金(jin)属醇盐(yan)均匀混合(he)作为(wei)前(qian)驱体原料在(zai)经(jing)过(guo)水解和缩(suo)合(he)的化学反应后(hou)，再(zai)经(jing)过(guo)胶(jiao)(jiao)粒的聚合(he)，从而(er)制(zhi)备出具有(you)三维网状结构(gou)的凝胶(jiao)(jiao)。再(zai)将其放(fang)入恒(heng)温干燥箱(xiang)中进(jin)行(xing)干燥，经(jing)过(guo)热处理(li)后(hou)，有(you)机(ji)(ji)成(cheng)分氧化挥发掉了，最终得到无机(ji)(ji)非(fei)金(jin)属材料。传统溶(rong)胶(jiao)(jiao)-凝胶(jiao)(jiao)法合(he)成(cheng)莫来石(shi)(shi)的温度通常(chang)在(zai)1200 ℃以(yi)上，样(yang)块会发生烧结致密(mi)化，制(zhi)备的莫来石(shi)(shi)晶须(xu)长径比较小。

通(tong)常(chang)莫来(lai)石前(qian)驱体溶液的(de)pH对合成(cheng)莫来(lai)石晶(jing)须有较大影响，一般在酸性(xing)条件下，前(qian)驱体的(de)均匀性(xing)较好，能制得均质且高纯的(de)莫来(lai)石。

溶胶(jiao)-凝胶(jiao)法(fa)合成(cheng)示意图

莫(mo)来石晶须的应用

1. 用(yong)于陶瓷增韧补强

目前，莫(mo)来石晶(jing)须最(zui)广泛的(de)(de)应用是利用其优异的(de)(de)力(li)学性(xing)能(neng)对陶(tao)(tao)瓷材料进行(xing)增韧(ren)补(bu)(bu)强(qiang)。莫(mo)来石晶(jing)须增韧(ren)补(bu)(bu)强(qiang)陶(tao)(tao)瓷的(de)(de)机制主要(yao)包括(kuo)裂(lie)纹偏(pian)转或(huo)分岔、拔出效(xiao)应、桥(qiao)联效(xiao)应三种(zhong)机制。而晶(jing)须能(neng)否起到增韧(ren)补(bu)(bu)强(qiang)效(xiao)果，与(yu)晶(jing)须-陶(tao)(tao)瓷基体的(de)(de)界(jie)面(mian)结(jie)合(he)状态和物理化学相容(rong)性(xing)等密切相关：

（1）晶须与基体(ti)界面结合力(li)要适当；

（2）晶须的弹性模量和热膨胀(zhang)系数应尽可能(neng)(neng)接近(jin)或稍大于(yu)陶瓷基体，以便减小界(jie)面处的剪(jian)应力(li)，否则(ze)将造成宏观裂纹，使复合(he)材料力(li)学性能(neng)(neng)恶(e)化(hua)；

（3）晶须与基体应尽量避免在界(jie)面处(chu)产生化学反(fan)应。

晶须补强陶瓷的传统方法是在配料中添加预合成晶须，不过添加预合成莫来石晶须的方法存在莫来石晶须分布均匀性差、晶须-基体界面结合强度低等缺点，因而一般采用原位生成莫来石晶须的方法，一般可有效提高材料的力学性能，特别是高温抗弯强度。

原(yuan)位合成(cheng)莫来石(shi)晶须增韧陶(tao)瓷

2. 用于隔(ge)热(re)保温材料

随着二气(qi)凝胶(jiao)(jiao)的(de)逐步(bu)应用，莫(mo)来石纤维增(zeng)强二氧(yang)化硅气(qi)凝胶(jiao)(jiao)复合材(cai)料在保温隔热领域受到越来越多的(de)关注，这种复合气(qi)凝胶(jiao)(jiao)具有体积密度小(xiao)、热导率低(di)和力学性能优异等(deng)特点，但纤维-气(qi)凝胶(jiao)(jiao)界面(mian)较差的(de)力学性能严(yan)重(zhong)限制(zhi)了(le)该材(cai)料的(de)开发与应用，还需进一(yi)步(bu)研(yan)究突(tu)破。

复合气凝胶保温材(cai)料

3. 用(yong)于过滤与吸(xi)附(fu)材料

莫来(lai)(lai)石(shi)(shi)晶(jing)(jing)须(xu)还可(ke)用(yong)于制备水油分离(li)(li)的(de)(de)(de)莫来(lai)(lai)石(shi)(shi)晶(jing)(jing)须(xu)微孔(kong)过滤(lv)膜(mo)，并可(ke)通过改变烧结温(wen)度(du)等参数来(lai)(lai)控制莫来(lai)(lai)石(shi)(shi)晶(jing)(jing)须(xu)的(de)(de)(de)生长(zhang)来(lai)(lai)获得适宜(yi)的(de)(de)(de)气孔(kong)率(lv)和(he)孔(kong)径大小。同时，还可(ke)用(yong)来(lai)(lai)制备体(ti)积密度(du)小、热导率(lv)低、过滤(lv)特性良好莫来(lai)(lai)石(shi)(shi)晶(jing)(jing)须(xu)增强多(duo)孔(kong)陶瓷，这种(zhong)复相多(duo)孔(kong)陶瓷具有稳定性好、重复利用(yong)率(lv)高、离(li)(li)子吸(xi)附(fu)能力(li)强等特点(dian)。

水油(you)分(fen)离过滤(lv)膜(mo)

4. 用于聚合物性能优化

莫(mo)来石(shi)晶(jing)须(xu)还可用于优化聚合物(wu)的性(xing)能(neng)，例如(ru)添加(jia)莫(mo)来石(shi)晶(jing)须(xu)有助于提高树脂(zhi)基材料的摩擦(ca)稳定性(xing)，但晶(jing)须(xu)的长径比(bi)过(guo)高会导致磨损率(lv)的增加(jia)，最(zui)佳的长径比(bi)为14左右。

提高树脂基地板漆的耐(nai)磨(mo)性(xing)

5. 其他(ta)

还(hai)可以通过在具(ju)有(you)陶瓷涂层的复(fu)合材(cai)料表面(mian)原位生(sheng)长莫来石晶须(xu)，莫

来石晶须(xu)可(ke)有(you)效提高涂层界面结合强度，增强制品(pin)的(de)抗热震性。

用于涂层增(zeng)强

总结

目前，莫(mo)来(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)晶须(xu)(xu)的(de)主流(liu)制备方(fang)(fang)法(fa)主要有原位生长(zhang)(zhang)法(fa)和熔盐(yan)法(fa)。原位生长(zhang)(zhang)法(fa)具有工艺流(liu)程(cheng)短(duan)、操作简(jian)单等优点(dian)，但(dan)晶须(xu)(xu)的(de)生长(zhang)(zhang)过程(cheng)难以控制。采用(yong)熔盐(yan)法(fa)可(ke)在较(jiao)低温度下合成莫(mo)来(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)晶须(xu)(xu)；但(dan)其生长(zhang)(zhang)速度慢，周期长(zhang)(zhang)，许多熔盐(yan)的(de)挥发物常腐(fu)蚀或污(wu)染炉体(ti)和环境，难以进行(xing)回收利(li)用(yong)。莫(mo)来(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)晶须(xu)(xu)的(de)主要应(ying)用(yong)集(ji)中于多孔陶瓷(ci)的(de)增强增韧，力学性能得(de)到(dao)优化的(de)多孔陶瓷(ci)可(ke)应(ying)用(yong)于隔热(re)保温、过滤(lv)与吸(xi)附等诸(zhu)多领域(yu)。今(jin)后(hou)，对莫(mo)来(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)晶须(xu)(xu)的(de)制备、生长(zhang)(zhang)机制和应(ying)用(yong)的(de)研究，开发工艺简(jian)便、节能环保、成本低廉的(de)方(fang)(fang)法(fa)，制备高(gao)纯、高(gao)长(zhang)(zhang)径比的(de)莫(mo)来(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)晶须(xu)(xu)，以及探讨其产业化应(ying)用(yong)是(shi)未来(lai)(lai)的(de)方(fang)(fang)向。

参(can)考来源：

1.莫来(lai)石晶须的制(zhi)备、生(sheng)长机制(zhi)及应用研究进展，刘朝阳、潘松阳、董泽明、文俊、王骏(jun)阳、于景(jing)坤（耐火材料）；

2.无机晶须材(cai)料的研究和应(ying)用进(jin)展，崔小明(ming)、金栋（塑料制造）；

3.晶(jing)须补强陶瓷基复合材料界面研究进展，黄勇、张(zhang)宗涛、江作昭（硅酸盐学报(bao)）。

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