硼酸铝晶须有哪些具体应用?
硼酸铝晶须
(1],硼酸铝晶须的物化性质与制备
硼酸铝的一般式是nA1203 - mB203,作为晶须工业化的一般是指9A1203 。 2B203,硼酸铝晶须属正
交晶系结构,与红柱石,硅线石及莫来石等A1203 SiO:系列的晶体结构近似,晶格常数分别为
a=0。
7692nm, b=1。4973nm, c=0。5682nm,空间群为A2/a, f2)。它具有高的弹性模量,良好的机械
强度,耐热性,耐化学药品性,耐酸性,电绝缘性,中子吸收性能,与金属共价性。
它不仅应用于
绝热,耐热和耐腐材料,也可用于热塑性树脂,热固性树脂,水泥,陶瓷和金属的补强剂。 其合成
方法有熔融法,气相法,内部助熔剂法,外部助熔剂法,水热法等,其中外部助熔剂法反应温度低,
能耗低,收率高,适合工业化生产
具体的讲,各种AlB比的硼酸铝晶须可通过以下方法制得〔31。
(1)在1000^ 14000C温度下,使
水蒸气通过气态的氟化铝和氧化硼混合物,生成4A1203 " B20:晶须;(2)将氢氧化铝和氧化硼的混
合物加热熔融生成硼酸铝晶须,化学式为3A1203 B20:和9A1203 2B203; (3)将氧化铝,四硼酸钠
和氯化硼的混合物加热至12000C,可制得2。
5A1203 - B203晶须:(4)将氧化铝,四硼酸钠和氧化硼
的混合物加热至14000C,可制得4。8A1203 B20:晶须;(5)将一种铝的氧化物,含铝的硫酸盐和硼
的氧化物混合,并以碱金属硫酸盐为助熔剂,加热至900-1200'C,可制得化学组成为9A1203 。
2B203
晶须
}2]硼酸铝晶须的研究开发现状
硼酸铝晶须最早由日本四国化成和四国工业技术研究所于1987共同研究开发,其后在四国化
成的九龟rr一投产,设计年产能力20吨/年,1989年6月有产品销售,1995年就形成200吨/年的
生产规模,产品分G, Y, S1, S2, S3五个等级。
Y是1991年夏季开始用于晶须补强塑料,其晶
须基本特性和产品G相同,但晶须的凝聚性低,在塑料中分散性好,混炼也容易,当初价格为2200
日元/Kg, G级产品为3500日元/Kg, S级的晶须是根据不同种类的塑料应用,采用了偶联剂的表
面处理,S1和S3是用氨基硅烷系,S2是环氧硅烷系偶联剂,价格为4000日元/Kg。
国内硼酸铝晶须的合成和开发研究起步较晚,但发展异常迅速。魄学礼,赵宽放(CN 1093065A)
曾进行过各种简单铝化合物和硼化合物制备硼酸铝晶须的研究,李武等人〔5)已开发出硼酸铝晶须
2003年纳微粉休制备与技术应用研讨会
的工业化生产技术。
19%年,中科院盐湖研究所承担并完成了青海省科技攻关项目"硼酸铝晶须
新材料研制";1999年,青海海兴公司承担并完成了青海省计委"100吨级硼酸铝晶须工业性试验"
项目,该项目已通过验收,验收评审认为:该技术先进可靠,工艺设计合理,操作简便,原料易得,
产品质量稳定,填补了国内空白,其技术达到国际先进水平。
目前。晶须产品正逐步推向市场。
[3]。硼酸铝晶须的应用前景
自1990年Sugnuma等人〔61首次报道了关于硼酸铝晶须增强铝复合材料的研究结果后,硼酸
铝晶须增强复合材料的研究引起了广泛重视。
日本名古屋工业技术试验所金属部最早从事硼酸铝晶
须增强铝基复合材料的研究,并取得显著研究成果。 国内哈尔滨工业大学,中科院沈阳金属究所,
中科院上海硅酸盐研究所,清华大学,上海交通大学,浙江大等都从事这一研究,取得了一定进展,
展示了良好的应用前景。
相对其他晶须而言,硼酸铝晶须具有很高的性能价格比,这是它能够得以
广泛应用的极大优势。硼酸铝晶须就其组成看,A1Z03成分占86%,故其共价性高,同铝及其合金
有较好的相容性,是铝基复合材料良好的增强相,在增强金属基(铝基,镁基),陶瓷基,塑料,玻
璃,纤维,涂料等方面,得到非常广泛的应用。
日本丰田和铃木汽车公司现已使用硼酸铝晶须增强
铝复合材料制造的汽车活塞,其在船体涂层防腐,战车装甲,飞机雷达,导弹和火箭排气管,宇宙
飞船,飞机机翼,切削工具,压缩机叶片,高焊接强度有机聚合物,电子部件,轴承,热阻材料,
铁电陶瓷,高频线路板,轻质陶瓷,催化剂载体,抗氧化电导粉末等实用性领域取得很大突破和广
泛应用。
硼酸铝晶须增强金属基复合材料基本上承袭了晶须增强铝基复合材料的制取工艺,主要采用
挤压铸造法和粉末冶金法来制取。挤压铸造法是较为成熟的工艺,但挤压过程中易造成预制件压缩
变形,使复合材料中晶须的体积分数难以控制;粉末冶金法可以制得晶须与基体合晶粉任意比例的
复合材料,能准确地控制晶须的体积分数,减少晶须与基体之间的界面反应,但粉末混合时间长,
成本高。
目前尚需进一步研究解决的问题有:①界面反应的机理及控制;②提高增强相硼酸铝
晶须的增强效果;③复合材料基体合金的选择。硼酸铝晶须补强氧化物陶瓷材料,可望增加陶瓷
材料的韧性和耐磨性能,由于这种晶须的熔点比较低(约14500C),只适合用于烧结温度较低的氧化
物陶瓷以及硅酸盐陶瓷材料,又鉴于其电阻率较大(约1013 Q " cm),故可用于功能材料的增强组元。
综上所述,我国在硼酸铝晶须的合成研究和增强增韧复合材料的研究,包括产业化的现状和前
景等诸方面都具备相当的实力,可以预期,在不远的将来,硼酸铝晶须将会在增强金属基(铝基,
镁基),陶瓷基,塑料,玻璃,纤维,涂料等方面,得到非常广泛的应用。
。
硼酸铝晶须的用途:硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)的特殊结构,决定了其特殊的用途。
1、FRP增强材料:
硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)可以用于各种塑料的增强材料,尤其是用于精密塑料构件时,其成型体表面非常光洁,对模具磨损小,原因是其直径小,长度短。
与玻璃纤维比较,对微小、复杂形状的塑料制品的增强作用更明显,而且赋予制品等方向性。
用于塑料的增强材料,当达到30%(重量)含量时,机械强度可增强一倍以上,而拉伸弹性模量可增大二倍以上。
2、FRM增强材料:
由于硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)的相对密度与轻金属相当,可以用于轻金属的增强材料。 硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)用于轻金属的增强材料,其增强效果良好,拉伸强度可增强3倍以上。
用于轻金属的增强材料,比较适宜的方法是熔融浇铸法,使晶须与金属或合金的熔液接触,同时又要晶须的骨架保持不变,这一点,硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)恰好能完全满足。
使用硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)作FRM增强材料时,除机械强度增加外,其耐热性能也显著增强,硬度增大,热膨胀系数降低,耐摩擦和磨损性能加强,耐热冲击和疲劳特性也明显改善。
硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)也可以用于陶瓷的增强材料。
硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)用于FRM、FRC的增强材料时,一般都需要对其表面进行表面处理,以增加硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)与基体的结合力。
3、其它:由于硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)的熔点高,耐腐蚀性能优越,故富含硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)的材料可用作硼玻璃的耐火涂层;船舶的防火门涂层;催化剂基体材料;又由于硼酸铝晶须(9Al2O3•2B2O3)对中子的吸收能力强,可用作核源的保护涂层,同时可防止因核变反应引起的中子辐射。
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硼酸铝晶须
(1],硼酸铝晶须的物化性质与制备
硼酸铝的一般式是nA1203 - mB203,作为晶须工业化的一般是指9A1203 。 2B203,硼酸铝晶须属正
交晶系结构,与红柱石,硅线石及莫来石等A1203 SiO:系列的晶体结构近似,晶格常数分别为
a=0。
7692nm, b=1。4973nm, c=0。5682nm,空间群为A2/a, f2)。它具有高的弹性模量,良好的机械
强度,耐热性,耐化学药品性,耐酸性,电绝缘性,中子吸收性能,与金属共价性。
它不仅应用于
绝热,耐热和耐腐材料,也可用于热塑性树脂,热固性树脂,水泥,陶瓷和金属的补强剂。 其合成
方法有熔融法,气相法,内部助熔剂法,外部助熔剂法,水热法等,其中外部助熔剂法反应温度低,
能耗低,收率高,适合工业化生产
具体的讲,各种AlB比的硼酸铝晶须可通过以下方法制得〔31。
(1)在1000^ 14000C温度下,使
水蒸气通过气态的氟化铝和氧化硼混合物,生成4A1203 " B20:晶须;(2)将氢氧化铝和氧化硼的混
合物加热熔融生成硼酸铝晶须,化学式为3A1203 B20:和9A1203 2B203; (3)将氧化铝,四硼酸钠
和氯化硼的混合物加热至12000C,可制得2。
5A1203 - B203晶须:(4)将氧化铝,四硼酸钠和氧化硼
的混合物加热至14000C,可制得4。8A1203 B20:晶须;(5)将一种铝的氧化物,含铝的硫酸盐和硼
的氧化物混合,并以碱金属硫酸盐为助熔剂,加热至900-1200'C,可制得化学组成为9A1203 。
2B203
晶须
}2]硼酸铝晶须的研究开发现状
硼酸铝晶须最早由日本四国化成和四国工业技术研究所于1987共同研究开发,其后在四国化
成的九龟rr一投产,设计年产能力20吨/年,1989年6月有产品销售,1995年就形成200吨/年的
生产规模,产品分G, Y, S1, S2, S3五个等级。
Y是1991年夏季开始用于晶须补强塑料,其晶
须基本特性和产品G相同,但晶须的凝聚性低,在塑料中分散性好,混炼也容易,当初价格为2200
日元/Kg, G级产品为3500日元/Kg, S级的晶须是根据不同种类的塑料应用,采用了偶联剂的表
面处理,S1和S3是用氨基硅烷系,S2是环氧硅烷系偶联剂,价格为4000日元/Kg。
国内硼酸铝晶须的合成和开发研究起步较晚,但发展异常迅速。魄学礼,赵宽放(CN 1093065A)
曾进行过各种简单铝化合物和硼化合物制备硼酸铝晶须的研究,李武等人〔5)已开发出硼酸铝晶须
2003年纳微粉休制备与技术应用研讨会
的工业化生产技术。
19%年,中科院盐湖研究所承担并完成了青海省科技攻关项目"硼酸铝晶须
新材料研制";1999年,青海海兴公司承担并完成了青海省计委"100吨级硼酸铝晶须工业性试验"
项目,该项目已通过验收,验收评审认为:该技术先进可靠,工艺设计合理,操作简便,原料易得,
产品质量稳定,填补了国内空白,其技术达到国际先进水平。
目前。晶须产品正逐步推向市场。
[3]。硼酸铝晶须的应用前景
自1990年Sugnuma等人〔61首次报道了关于硼酸铝晶须增强铝复合材料的研究结果后,硼酸
铝晶须增强复合材料的研究引起了广泛重视。
日本名古屋工业技术试验所金属部最早从事硼酸铝晶
须增强铝基复合材料的研究,并取得显著研究成果。 国内哈尔滨工业大学,中科院沈阳金属究所,
中科院上海硅酸盐研究所,清华大学,上海交通大学,浙江大等都从事这一研究,取得了一定进展,
展示了良好的应用前景。
相对其他晶须而言,硼酸铝晶须具有很高的性能价格比,这是它能够得以
广泛应用的极大优势。硼酸铝晶须就其组成看,A1Z03成分占86%,故其共价性高,同铝及其合金
有较好的相容性,是铝基复合材料良好的增强相,在增强金属基(铝基,镁基),陶瓷基,塑料,玻
璃,纤维,涂料等方面,得到非常广泛的应用。
日本丰田和铃木汽车公司现已使用硼酸铝晶须增强
铝复合材料制造的汽车活塞,其在船体涂层防腐,战车装甲,飞机雷达,导弹和火箭排气管,宇宙
飞船,飞机机翼,切削工具,压缩机叶片,高焊接强度有机聚合物,电子部件,轴承,热阻材料,
铁电陶瓷,高频线路板,轻质陶瓷,催化剂载体,抗氧化电导粉末等实用性领域取得很大突破和广
泛应用。
硼酸铝晶须增强金属基复合材料基本上承袭了晶须增强铝基复合材料的制取工艺,主要采用
挤压铸造法和粉末冶金法来制取。挤压铸造法是较为成熟的工艺,但挤压过程中易造成预制件压缩
变形,使复合材料中晶须的体积分数难以控制;粉末冶金法可以制得晶须与基体合晶粉任意比例的
复合材料,能准确地控制晶须的体积分数,减少晶须与基体之间的界面反应,但粉末混合时间长,
成本高。
目前尚需进一步研究解决的问题有:①界面反应的机理及控制;②提高增强相硼酸铝
晶须的增强效果;③复合材料基体合金的选择。硼酸铝晶须补强氧化物陶瓷材料,可望增加陶瓷
材料的韧性和耐磨性能,由于这种晶须的熔点比较低(约14500C),只适合用于烧结温度较低的氧化
物陶瓷以及硅酸盐陶瓷材料,又鉴于其电阻率较大(约1013 Q " cm),故可用于功能材料的增强组元。
综上所述,我国在硼酸铝晶须的合成研究和增强增韧复合材料的研究,包括产业化的现状和前
景等诸方面都具备相当的实力,可以预期,在不远的将来,硼酸铝晶须将会在增强金属基(铝基,
镁基),陶瓷基,塑料,玻璃,纤维,涂料等方面,得到非常广泛的应用。
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