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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。

刚玉莫来(lai)石匣钵

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但莫来石(shi)的应用(yong)远不(bu)止如此，制备成特殊的形貌(mao)还(hai)可以作为功能添加剂(ji)使用(yong)，这就要从其结构的特殊性说起(qi)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(mo)来石的常见晶型及(ji)材料(liao)性质

莫来石晶(jing)须(xu)的(de)制备方法

1. 固相法(fa)

固(gu)相法指的(de)是压制(zhi)(zhi)成型后的(de)固(gu)态物质(zhi)(zhi)(zhi)在(zai)(zai)低于熔点的(de)高温作用(yong)下，通(tong)过坯体间颗粒(li)互相粘(zhan)结(jie)和物质(zhi)(zhi)(zhi)传(chuan)递、气孔排(pai)除(chu)，体积收缩等环节逐渐形成具有(you)一定(ding)形状和强度的(de)烧结(jie)体。固(gu)态物质(zhi)(zhi)(zhi)间的(de)反(fan)应(ying)活性较(jiao)低，反(fan)应(ying)速度较(jiao)慢，直接通(tong)过固(gu)相法难以制(zhi)(zhi)备出莫来(lai)石(shi)晶(jing)须(xu)，一般需要添加一定(ding)的(de)助剂以降低反(fan)应(ying)温度，促进(jin)晶(jing)须(xu)的(de)原位生长。添加助剂后，莫来(lai)石(shi)晶(jing)须(xu)在(zai)(zai)形成过程中常伴随着液(ye)相和气相的(de)反(fan)应(ying)，这(zhei)是与常规固(gu)相烧结(jie)最大的(de)不同点。

常(chang)规烧(shao)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. 熔盐法

熔盐(yan)法因熔盐(yan)介(jie)质(zhi)为莫来石晶(jing)须(xu)的形(xing)成(cheng)提供了液(ye)态环(huan)境，因此具有所需合成(cheng)温度低、产物形(xing)貌(mao)可控等优点。将盐(yan)与反应(ying)物按(an)照(zhao)一定的比例配制反应(ying)混合物，混合均(jun)匀后(hou)，加热(re)使(shi)盐(yan)熔化，反应(ying)物在(zai)盐(yan)的熔体中进行反应(ying)，生(sheng)成(cheng)产物，冷却至室温后(hou)，以去(qu)数次以除去(qu)其中的盐(yan)得到(dao)产物粉体。

熔盐(yan)法合成过程示意图

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. 溶胶-凝胶法

溶胶(jiao)-凝(ning)胶(jiao)法通过以无(wu)(wu)机物(wu)或金(jin)属(shu)醇盐(yan)均匀混合(he)作为前(qian)驱体原料(liao)(liao)在经过水解和缩合(he)的(de)化(hua)学(xue)反应后，再经过胶(jiao)粒(li)的(de)聚合(he)，从而制(zhi)备出具(ju)有(you)三维(wei)网(wang)状结(jie)构的(de)凝(ning)胶(jiao)。再将(jiang)其(qi)放(fang)入恒温干燥(zao)箱(xiang)中进行干燥(zao)，经过热处理(li)后，有(you)机成分氧化(hua)挥发掉了，最(zui)终得到(dao)无(wu)(wu)机非金(jin)属(shu)材料(liao)(liao)。传统溶胶(jiao)-凝(ning)胶(jiao)法合(he)成莫(mo)来(lai)石(shi)的(de)温度通常在1200 ℃以上，样块会(hui)发生烧结(jie)致密化(hua)，制(zhi)备的(de)莫(mo)来(lai)石(shi)晶须长径比(bi)较小。

通常(chang)莫来石(shi)前驱体溶液的pH对合成莫来石(shi)晶须有较大影响，一般在(zai)酸性条件下，前驱体的均匀性较好(hao)，能(neng)制(zhi)得均质且(qie)高纯的莫来石(shi)。

溶胶-凝胶法合成示(shi)意图

莫(mo)来(lai)石晶须的应用

1. 用(yong)于陶(tao)瓷增韧(ren)补(bu)强

目前，莫来石晶(jing)须(xu)最广泛的(de)(de)(de)应用(yong)是利用(yong)其优异的(de)(de)(de)力学性能(neng)对陶(tao)(tao)瓷材料(liao)进行增(zeng)韧补(bu)强。莫来石晶(jing)须(xu)增(zeng)韧补(bu)强陶(tao)(tao)瓷的(de)(de)(de)机(ji)(ji)制(zhi)主要包括裂(lie)纹偏转或分岔、拔(ba)出效应、桥(qiao)联效应三种机(ji)(ji)制(zhi)。而晶(jing)须(xu)能(neng)否起到(dao)增(zeng)韧补(bu)强效果，与晶(jing)须(xu)-陶(tao)(tao)瓷基体的(de)(de)(de)界面结合(he)状态和物理化学相容性等密切相关(guan)：

（1）晶须与(yu)基体界面结合力要适当；

（2）晶须的(de)弹(dan)性(xing)模(mo)量和(he)热(re)膨胀系数应尽可能接近或稍(shao)大于(yu)陶瓷(ci)基体(ti)，以(yi)便减小界面(mian)处的(de)剪应力，否(fou)则将造成宏观裂纹(wen)，使复(fu)合材(cai)料力学性(xing)能恶(e)化；

（3）晶须与基体应尽(jin)量(liang)避免在界(jie)面处产生化学反(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。

原位(wei)合成莫来石晶须增(zeng)韧陶瓷

2. 用于隔热保温材(cai)料

随着二气凝(ning)胶的(de)(de)逐步应(ying)用(yong)，莫(mo)来(lai)石纤(xian)维增强二氧(yang)化硅气凝(ning)胶复(fu)合(he)材(cai)料(liao)在保温隔(ge)热(re)领域受(shou)到越来(lai)越多的(de)(de)关注，这(zhei)种复(fu)合(he)气凝(ning)胶具(ju)有体(ti)积密度小、热(re)导率(lv)低(di)和(he)力学性(xing)能优异等特(te)点，但(dan)纤(xian)维-气凝(ning)胶界面较(jiao)差的(de)(de)力学性(xing)能严重限(xian)制了(le)该材(cai)料(liao)的(de)(de)开发与应(ying)用(yong)，还需进一步研究(jiu)突破。

复合气凝胶(jiao)保温材料

3. 用于过滤与吸附(fu)材料

莫来(lai)石晶(jing)(jing)须(xu)还可(ke)用于制备水油分离的莫来(lai)石晶(jing)(jing)须(xu)微(wei)孔(kong)过滤膜，并可(ke)通过改变烧结温度等(deng)参数来(lai)控制莫来(lai)石晶(jing)(jing)须(xu)的生(sheng)长来(lai)获得适宜(yi)的气孔(kong)率和孔(kong)径大小(xiao)。同时(shi)，还可(ke)用来(lai)制备体积密(mi)度小(xiao)、热导(dao)率低(di)、过滤特(te)性良好莫来(lai)石晶(jing)(jing)须(xu)增(zeng)强(qiang)多孔(kong)陶(tao)(tao)瓷，这(zhei)种(zhong)复(fu)相多孔(kong)陶(tao)(tao)瓷具(ju)有稳(wen)定性好、重复(fu)利(li)用率高(gao)、离子(zi)吸附(fu)能力(li)强(qiang)等(deng)特(te)点。

水油分离(li)过滤(lv)膜

4. 用于聚合物性能优化

莫(mo)来石晶(jing)须还可用(yong)于优(you)化(hua)聚合物(wu)的(de)性(xing)能，例如添加莫(mo)来石晶(jing)须有助于提(ti)高树脂基材料的(de)摩擦(ca)稳定(ding)性(xing)，但晶(jing)须的(de)长径比过(guo)高会导(dao)致磨损率(lv)的(de)增加，最佳的(de)长径比为14左右。

提高树脂基(ji)地(di)板漆的耐(nai)磨性(xing)

5. 其(qi)他

还可以通过在具(ju)有陶瓷(ci)涂层的(de)复(fu)合材料表(biao)面原位(wei)生(sheng)长莫(mo)来石晶须，莫(mo)

来石晶须可有效提高涂层界面(mian)结合强(qiang)度，增强(qiang)制品的(de)抗(kang)热震(zhen)性。

用于(yu)涂层增(zeng)强

总(zong)结

目前(qian)，莫(mo)来(lai)石(shi)晶须的(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)流(liu)制(zhi)(zhi)备方(fang)法(fa)主(zhu)(zhu)要有原位生(sheng)长(zhang)(zhang)法(fa)和熔(rong)(rong)盐(yan)(yan)法(fa)。原位生(sheng)长(zhang)(zhang)法(fa)具有工艺(yi)流(liu)程短、操作(zuo)简单(dan)等(deng)优点，但晶须的(de)(de)(de)生(sheng)长(zhang)(zhang)过(guo)程难以控制(zhi)(zhi)。采(cai)用(yong)熔(rong)(rong)盐(yan)(yan)法(fa)可(ke)在较低温度下合成莫(mo)来(lai)石(shi)晶须；但其(qi)生(sheng)长(zhang)(zhang)速度慢，周期长(zhang)(zhang)，许(xu)多熔(rong)(rong)盐(yan)(yan)的(de)(de)(de)挥发物常腐(fu)蚀或污染(ran)炉体(ti)和环境，难以进行回收利(li)用(yong)。莫(mo)来(lai)石(shi)晶须的(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)要应(ying)用(yong)集中于多孔陶(tao)瓷的(de)(de)(de)增强增韧，力学性能(neng)得到优化的(de)(de)(de)多孔陶(tao)瓷可(ke)应(ying)用(yong)于隔热(re)保(bao)温、过(guo)滤与吸(xi)附等(deng)诸多领域。今后，对莫(mo)来(lai)石(shi)晶须的(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)备、生(sheng)长(zhang)(zhang)机制(zhi)(zhi)和应(ying)用(yong)的(de)(de)(de)研究，开发工艺(yi)简便(bian)、节(jie)能(neng)环保(bao)、成本低廉的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)，制(zhi)(zhi)备高纯、高长(zhang)(zhang)径比的(de)(de)(de)莫(mo)来(lai)石(shi)晶须，以及探讨其(qi)产业化应(ying)用(yong)是未来(lai)的(de)(de)(de)方(fang)向。

参(can)考来源(yuan)：

1.莫(mo)来石晶须的制备、生长机制及(ji)应用研究进展，刘朝阳(yang)、潘松阳(yang)、董泽明(ming)、文俊、王骏阳(yang)、于(yu)景坤（耐(nai)火材料）；

2.无机(ji)晶须材料(liao)的研究(jiu)和应(ying)用进展，崔小明(ming)、金(jin)栋(dong)（塑料(liao)制造）；

3.晶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）。

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