低维材料（二）低维材料（二）一维材料一维材料赵永男赵永男 教授教授 新型无机材料新型无机材料n一维材料是指各种晶须及纤维材料。一维材料是指各种晶须及纤维材料。n目前最活跃的一维材料有一维纳米材料、目前最活跃的一维材料有一维纳米材料、光导纤维、碳纤维以及碳化硅晶须等。光导纤维、碳纤维以及碳化硅晶须等。n一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制方面有着重要的应用前景，光导纤维是最方面有着重要的应用前景，光导纤维是最有生命力的信息传输材料。有生命力的信息传输材料。n碳纤维是复合材料的主要原料，碳化硅晶碳纤维是复合材料的主要原料，碳化硅晶须是陶瓷基、树脂基、金属基复合材料的须是陶瓷基、树脂基、金属基复合材料的增强体，受到人们的高度重视，并研制出增强体，受到人们的高度重视，并研制出满足微电子学、信息、宇航等领域需要的满足微电子学、信息、宇航等领域需要的各种一维材料。各种一维材料。晶须晶须n晶须是在人工控制条件下，以单晶形式生长晶须是在人工控制条件下，以单晶形式生长成的一种短纤维，其直径非常小成的一种短纤维，其直径非常小(0.1至几微至几微米米)，以致难以容纳大晶体中常出现的内部，以致难以容纳大晶体中常出现的内部缺陷，原子排列高度有序，晶体结构近乎完缺陷，原子排列高度有序，晶体结构近乎完整，不含有晶粒界、亚晶界、位错、空洞等整，不含有晶粒界、亚晶界、位错、空洞等晶体结构缺陷，因而强度接近于完整晶体的晶体结构缺陷，因而强度接近于完整晶体的理论值。理论值。英文名称：英文名称：crystalwhisker历史历史数百年前：银晶须（大英博物馆陈列）数百年前：银晶须（大英博物馆陈列）1948年：铜晶须（贝尔研究所发现，引起年：铜晶须（贝尔研究所发现，引起电路短路）电路短路）最近二十多年：推测出晶须为接近单晶结最近二十多年：推测出晶须为接近单晶结构，而具有非常高的强度与弹性模量，从构，而具有非常高的强度与弹性模量，从而可用于复合材料。而可用于复合材料。硫酸钙硫酸钙碳化硅碳化硅镁盐晶须镁盐晶须钛酸钾钛酸钾晶须硅晶须硅Tetrapod氧化锌氧化锌n多晶纤维与晶须的区别主要是多晶与单晶多晶纤维与晶须的区别主要是多晶与单晶的区别的区别,多晶是由多个单晶晶粒组成的晶体，多晶是由多个单晶晶粒组成的晶体，在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不同，其周期性与规则性也在此处受到破坏。同，其周期性与规则性也在此处受到破坏。n由于晶体结构完整，晶须不仅具有异乎寻由于晶体结构完整，晶须不仅具有异乎寻常的力学性能，而且在电学、光学、磁学、常的力学性能，而且在电学、光学、磁学、铁磁性、介电性、传导性、甚至超导性等铁磁性、介电性、传导性、甚至超导性等方面皆发生显著变化。因此，对晶须的研方面皆发生显著变化。因此，对晶须的研究和开发受到高度重视。究和开发受到高度重视。n20世纪世纪60年代就已开发了近百种晶须实验年代就已开发了近百种晶须实验品，包括金属、氧化物、碳化物、氮化物、品，包括金属、氧化物、碳化物、氮化物、卤化物等。卤化物等。n用晶须增强的复合材料具有优异的耐磨损、用晶须增强的复合材料具有优异的耐磨损、滑动性、高的绝缘性及显著的力学增强性滑动性、高的绝缘性及显著的力学增强性能，成为复合材料领域中的一个重要分支能，成为复合材料领域中的一个重要分支及最为活跃的研究方向之一。及最为活跃的研究方向之一。n有机化合物晶须、金属晶须和陶瓷晶须三有机化合物晶须、金属晶须和陶瓷晶须三类。其中陶瓷基晶须的强度和耐热性均优类。其中陶瓷基晶须的强度和耐热性均优于其他两类，故具有更大的工业应用价值。于其他两类，故具有更大的工业应用价值。晶须的特点晶须的特点n(1)优良的力学性能优良的力学性能n机械强度高。晶须作为细微的单晶体机械强度高。晶须作为细微的单晶体,内部内部结构十分完整。具有非常坚韧的性质结构十分完整。具有非常坚韧的性质,其抗其抗张强度为玻璃纤维的张强度为玻璃纤维的5-10倍倍,比硼纤维有比硼纤维有更好的韧性。更好的韧性。n耐高温性。晶须具有不会引起高温滑移的耐高温性。晶须具有不会引起高温滑移的完整性完整性,温度升高时温度升高时,晶须不分解、不软化晶须不分解、不软化,其强度几乎没有损失。这个特性使其在防其强度几乎没有损失。这个特性使其在防火材料中的应用成为可能。火材料中的应用成为可能。n能弹性地承受较大的应变而无永久变形。试能弹性地承受较大的应变而无永久变形。试验证明，晶须经验证明，晶须经4%的应变还在弹性范围内，的应变还在弹性范围内，不产生永久形变，而块状晶体的弹性变形范不产生永久形变，而块状晶体的弹性变形范围却小于围却小于0.1%。n具有相当大的长径比。晶须的横断面多具有具有相当大的长径比。晶须的横断面多具有六角形、斜方形、三角形或薄带形六角形、斜方形、三角形或薄带形,不同于不同于玻璃纤维或硼纤维具有圆形横断面玻璃纤维或硼纤维具有圆形横断面,大大增大大增加了长径比，其长径比都在加了长径比，其长径比都在30以上，能满足以上，能满足增强塑料、防火板材对长径比增强塑料、防火板材对长径比(大于大于30)的要的要求求,使复合材料获得很高的强度和性能。使复合材料获得很高的强度和性能。n无疲劳效应。晶须没有明显的疲劳特征无疲劳效应。晶须没有明显的疲劳特征,即即使被磨成粉末、切断使被磨成粉末、切断,其强度也不受损失。其强度也不受损失。n(2)良好的相容性良好的相容性n晶须的尺寸细微晶须的尺寸细微,不影响复合材料成型流动不影响复合材料成型流动性，接近于无填充的树脂。晶须可以在高性，接近于无填充的树脂。晶须可以在高分子基体中分布得很均匀分子基体中分布得很均匀,可以使极薄、极可以使极薄、极狭小甚至边角部位都能得到增强填充。狭小甚至边角部位都能得到增强填充。n(3)优良平滑性及化学稳定性优良平滑性及化学稳定性n晶须增强工程塑料膨胀系数及成型收缩率晶须增强工程塑料膨胀系数及成型收缩率小，有极高的尺寸精度和光洁的平滑表面小，有极高的尺寸精度和光洁的平滑表面,远远超过碳纤维和玻璃纤维增强材料制品。远远超过碳纤维和玻璃纤维增强材料制品。n(4)再生性能好再生性能好n用晶须增强的复合材料有良好的重复使用用晶须增强的复合材料有良好的重复使用性。实验表明：添加晶须的复合材料经多性。实验表明：添加晶须的复合材料经多次加工，热稳定性好，力学性能变化也不次加工，热稳定性好，力学性能变化也不大大,再生循环使用性能好。再生循环使用性能好。晶须的生长机制晶须的生长机制n晶须作为一种特殊的细小纤维状的单晶体，晶须作为一种特殊的细小纤维状的单晶体，生长机制有其独特性。通常，晶须的生长生长机制有其独特性。通常，晶须的生长过程包括孕育期、生长期和终止生长期三过程包括孕育期、生长期和终止生长期三个阶段。个阶段。n各种晶须生长机制中，气固机制和气液固各种晶须生长机制中，气固机制和气液固机制是比较常见的两种。同时，晶须的生机制是比较常见的两种。同时，晶须的生长机制与其制备方法之间并不是互不相干、长机制与其制备方法之间并不是互不相干、彼此独立的，而是有着密切的联系。对同彼此独立的，而是有着密切的联系。对同一种生长机制，可能存在着几种制备方法，一种生长机制，可能存在着几种制备方法，对同一种制备方法也可能存在着几种生长对同一种制备方法也可能存在着几种生长机制。机制。晶须的气晶须的气-固生长机制固生长机制n晶须的气晶须的气-固生长机制固生长机制(VS机制机制)又称为位又称为位错机制，是通过气错机制，是通过气-固反应形核并长成晶固反应形核并长成晶须的过程。是一种经常采用的晶须生长机须的过程。是一种经常采用的晶须生长机制。制。n按照按照VS机制，晶须的生长首先要满足如下机制，晶须的生长首先要满足如下几个条件：几个条件：氧化或活化气氛；氧化或活化气氛；含有细含有细小触媒形核剂；小触媒形核剂；位错的柏氏矢量需与晶位错的柏氏矢量需与晶须的轴向平行。须的轴向平行。n符合上述条件后，在晶须的生长温度下触符合上述条件后，在晶须的生长温度下触媒形核剂吸附氧化或活化气氛中的晶须材媒形核剂吸附氧化或活化气氛中的晶须材料组分，使其沉淀析出；随晶核进一步的料组分，使其沉淀析出；随晶核进一步的生长或分解，当达到某一临界值时，晶核生长或分解，当达到某一临界值时，晶核受到应力的作用而稳定地沿着位错的柏氏受到应力的作用而稳定地沿着位错的柏氏矢量方向生长成晶须。矢量方向生长成晶须。n晶须在按晶须在按VS机制生长的实际过程中，除了机制生长的实际过程中，除了化学反应条件和晶须材料的选择对晶须的化学反应条件和晶须材料的选择对晶须的生长有很大的影响外，气相反应物的过饱生长有很大的影响外，气相反应物的过饱和度也起着重要作用。气相反应物的过饱和度也起着重要作用。气相反应物的过饱和度较低时容易生成晶须；过饱和度中等和度较低时容易生成晶须；过饱和度中等时会形成枝状、片状或晶须与晶粒的混合时会形成枝状、片状或晶须与晶粒的混合物；过饱和度过大时则不会生成晶须。因物；过饱和度过大时则不会生成晶须。因此采用该机制制备晶须时，对气相反应物此采用该机制制备晶须时，对气相反应物的过饱和度需严格控制。的过饱和度需严格控制。晶须种类晶须种类制备方法制备方法原料原料生长温度生长温度/CoAl2O3AlF3水解法水解法AlF3,H2O1400-SiC碳热还原法碳热还原法C，高岭土，高岭土1300-1700莫来石莫来石气相法气相法Al2O3,AlF31150-1700莫来石莫来石溶胶溶胶-凝胶凝胶法法铝硅干凝胶，铝硅干凝胶，AlF31100-1250莫来石莫来石热处理法热处理法铝硅玻璃，铝硅玻璃，AlF31250Sn自发反应自发反应Sn室温室温h-BN热处理法热处理法h-BN，N21500-2100按按VS机制生长的部分晶须机制生长的部分晶须晶须的气晶须的气-液液-固生长机制固生长机制(VLS)n与与VS机制不同，气机制不同，气-液液-固生长机制固生长机制(VLS机机制，制，V代表气体原料，代表气体原料，L为液体触媒，为液体触媒，S为固为固体晶须体晶须)认为，除反应生成的晶须材料外，认为，除反应生成的晶须材料外，在基底上存在的触媒对晶须的生长起着关在基底上存在的触媒对晶须的生长起着关键的作用。合适的触煤能够与体系中的其键的作用。合适的触煤能够与体系中的其他组分形成低熔共晶，在晶须生长的温度他组分形成低熔共晶，在晶须生长的温度下容易形成触煤液滴；触媒液滴吸收气相下容易形成触煤液滴；触媒液滴吸收气相晶须材料反应组分，当晶须材料组分在液晶须材料反应组分，当晶须材料组分在液相中的溶解度达到饱和后，就会在基底的相中的溶解度达到饱和后，就会在基底的LS界面沉积、析出并最后长大成晶须。界面沉积、析出并最后长大成晶须。气体气体液体液体固体固体气体气体气体气体VLS生长晶须示意图生长晶须示意图n利用利用VLS机制制备晶须时，由于液体对气体机制制备晶须时，由于液体对气体的容纳系数比固体对气体的容纳系数高、触的容纳系数比固体对气体的容纳系数高、触媒形成的低熔共晶液滴能使晶须的生长激活媒形成的低熔共晶液滴能使晶须的生长激活能大幅度降低，因此，通常情况下晶须的生能大幅度降低，因此，通常情况下晶须的生长速率比采用长速率比采用VS机制的晶须生长速率要快，机制的晶须生长速率要快，并且晶须的生长温度要低得多。并且晶须的生长温度要低得多。n如果能够根据晶须生长要求选取合适的组成如果能够根据晶须生长要求选取合适的组成和性能的低熔共晶的触媒，以及有利于晶须和性能的低熔共晶的触媒，以及有利于晶须形核并长大的基底，那么，通过控制低熔共形核并长大的基底，那么，通过控制低熔共晶触媒液滴位置、类型、大小和化学组成等晶触媒液滴位置、类型、大小和化学组成等条件可以较方便地制备各种形状、各种直径、条件可以较方便地制备各种形状、各种直径、多种类型和不同性能的晶须。多种类型和不同性能的晶须。nVLS机制是晶须生长的最重要机制。许多有机制是晶须生长的最重要机制。许多有价值的晶须，特别是陶瓷类晶须的生长几价值的晶须，特别是陶瓷类晶须的生长几乎都遵循乎都遵循VLS方式。因此，方式。因此，VLS机制成为目机制成为目前许多商品晶须制备的重要理论基础而被前许多商品晶须制备的重要理论基础而被广泛采用。广泛采用。晶须的其它生长机制晶须的其它生长机制n通过液固反应生成晶须的液通过液固反应生成晶须的液-固固(LS)机制和机制和固固-液液-固生长机制固生长机制(SLS机制机制)，这是两种新，这是两种新的晶须生长机制，其理论尚未完善，但已的晶须生长机制，其理论尚未完善，但已引起了注意。引起了注意。n因为较其他生长机制而言，采用因为较其他生长机制而言，采用LS机制和机制和SLS机制的工艺相对简单、操作方便；同时，机制的工艺相对简单、操作方便；同时，LS机制和机制和SLS机制极有可能成为原位合成机制极有可能成为原位合成新型复合材料的新路线。新型复合材料的新路线。晶须的制备方法晶须的制备方法n晶须可采用化学分解或电解的方法从过饱和晶须可采用化学分解或电解的方法从过饱和的气体、液体、熔体中生长，也可从固体中的气体、液体、熔体中生长，也可从固体中生长，即通常所指的气相法、液相法和固相生长，即通常所指的气相法、液相法和固相法。法。n气相法中又分为蒸发气相法中又分为蒸发-凝聚法和化学气相法，凝聚法和化学气相法，最重要的方法。最重要的方法。n液相法通常包括低温蒸发、电解、晶化、添液相法通常包括低温蒸发、电解、晶化、添加剂、化学沉淀、胶体和高温熔体等方法。加剂、化学沉淀、胶体和高温熔体等方法。n固相法包括应力诱导和析出法。固相法包括应力诱导和析出法。n按照晶须生长状况可分为三个级别：按照晶须生长状况可分为三个级别：生生长单一材料的晶须；长单一材料的晶须；在单晶基体上沿某在单晶基体上沿某结晶学取向控制生长；结晶学取向控制生长；在基体上控制生在基体上控制生长出具有一定直径、高度、密度和排列的长出具有一定直径、高度、密度和排列的晶须。晶须。n通常作为复合材料增强体的晶须，只需要通常作为复合材料增强体的晶须，只需要第一级较简单水平。对于某些特殊用途的第一级较简单水平。对于某些特殊用途的半导体材料才需要二、三级生长水平。半导体材料才需要二、三级生长水平。n现已从现已从100种以上的材料制备出相应的晶须，种以上的材料制备出相应的晶须，其中包括金属、氧化物、碳化物、卤化物、其中包括金属、氧化物、碳化物、卤化物、氮化物、石墨以及有机化合物。氮化物、石墨以及有机化合物。按材料种类划分，可分为如下几种：按材料种类划分，可分为如下几种：n金属晶须的制备：金属晶须的制备：n一种是金属盐的氢还原法，所选择的最佳一种是金属盐的氢还原法，所选择的最佳还原温度接近或稍高于原料金属的熔点。还原温度接近或稍高于原料金属的熔点。多数金属晶须如镍、铜、铁及其合金都采多数金属晶须如镍、铜、铁及其合金都采用此法制备。用此法制备。n另一种是利用金属的蒸发和凝聚制备晶须。另一种是利用金属的蒸发和凝聚制备晶须。先将金属在高温气化，然后把气相金属导先将金属在高温气化，然后把气相金属导至温度较低的生长区，以低的过饱和条件至温度较低的生长区，以低的过饱和条件凝聚并生长成晶须。此法常用于熔点较低凝聚并生长成晶须。此法常用于熔点较低的金属，如锌、镉等金属晶须的制备。的金属，如锌、镉等金属晶须的制备。氧化物晶须的制备氧化物晶须的制备n最简单的方法为蒸气传递法：即将金属在潮最简单的方法为蒸气传递法：即将金属在潮湿氢气、惰性气体或空气中加热、使其氧化，湿氢气、惰性气体或空气中加热、使其氧化，在炉子的较低温部位沉积出晶须，如在炉子的较低温部位沉积出晶须，如A12O3、MgO晶须的制备。晶须的制备。n而经常采用的方法是化学气相生长法：通过而经常采用的方法是化学气相生长法：通过气态原料或由固态原料转化的气体中间物的气态原料或由固态原料转化的气体中间物的化学反应，生成固相晶须。晶须的形核常发化学反应，生成固相晶须。晶须的形核常发生在所引入的杂质热力学条件的化学反应及生在所引入的杂质热力学条件的化学反应及适宜晶体形核的核源和微粒上或适宜晶体形核的核源和微粒上或VLS液滴中。液滴中。该法的关键是选择满足触媒介质。该法的关键是选择满足触媒介质。其它化合物晶须的制备其它化合物晶须的制备n在诸多晶须材料中，最有实用价值的是高温在诸多晶须材料中，最有实用价值的是高温陶瓷材料的晶须，如陶瓷材料的晶须，如SiC、Si3N4、TiN、TiB2、AlN等。这类化合物晶须通常采用化学气相等。这类化合物晶须通常采用化学气相法制备，并且按法制备，并且按VLS机制生长。在所有陶瓷机制生长。在所有陶瓷质晶须中，碳化硅以其高强度、高硬度、高质晶须中，碳化硅以其高强度、高硬度、高质量、良好的化学稳定性、耐磨耐腐蚀、抗质量、良好的化学稳定性、耐磨耐腐蚀、抗高温氧化性等优良性能，且易于与陶瓷、金高温氧化性等优良性能，且易于与陶瓷、金属等基体复合而受到人们的青睐属等基体复合而受到人们的青睐晶须的应用晶须的应用n陶瓷基复合材料：晶须增韧陶瓷复合材料同时陶瓷基复合材料：晶须增韧陶瓷复合材料同时存在晶须拨出、裂纹偏转和裂纹桥联三种效存在晶须拨出、裂纹偏转和裂纹桥联三种效果，已成功应用在切削刀具、耐磨件、宇航果，已成功应用在切削刀具、耐磨件、宇航及军用零件上。及军用零件上。n金属基复合材料：金属或合金为基体与各种增金属基复合材料：金属或合金为基体与各种增强材料复合而制得的复合材料。高强度、高强材料复合而制得的复合材料。高强度、高模量、耐高温、不燃、不吸潮、导热导电性模量、耐高温、不燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射。航空航天用高温材料，用作飞好、抗辐射。航空航天用高温材料，用作飞机涡轮发动机和火箭发动机热区和超音速飞机涡轮发动机和火箭发动机热区和超音速飞机的表面材料。晶须在金属复合材料中主要机的表面材料。晶须在金属复合材料中主要起强化作用，会使金属材料得到良好的耐磨起强化作用，会使金属材料得到良好的耐磨性和较低的膨胀率。性和较低的膨胀率。n高分子材料改性高分子材料改性n功能复合材料功能复合材料n阻燃防火材料阻燃防火材料n用于造纸、水泥改性、肥料的缓释剂、沥用于造纸、水泥改性、肥料的缓释剂、沥青改性等青改性等n取代石棉取代石棉n航空和航天领域：金属基和树脂基的晶须航空和航天领域：金属基和树脂基的晶须复合材料由于质量轻、比强度高，可用作复合材料由于质量轻、比强度高，可用作直升飞机的旋翼、机翼、尾翼、空间壳体、直升飞机的旋翼、机翼、尾翼、空间壳体、飞机起落架及其他宇宙航空部件。飞机起落架及其他宇宙航空部件。n建筑工业：用晶须增强塑料，可以获得截建筑工业：用晶须增强塑料，可以获得截面极薄、抗张强度和破坏耐力很高的构件。面极薄、抗张强度和破坏耐力很高的构件。n机械工业：陶瓷基晶须复合材料机械工业：陶瓷基晶须复合材料SiC/Al2O3已用作切削刀具，在金属基耐热合金加工已用作切削刀具，在金属基耐热合金加工中发挥作用；塑料基晶须复合材料可用作中发挥作用；塑料基晶须复合材料可用作零部件的黏结接头、并局部增强零件中应零部件的黏结接头、并局部增强零件中应力集中、承载力大的关键部位、间隙增强力集中、承载力大的关键部位、间隙增强和硬化表面等。和硬化表面等。n汽车工业：玻璃基晶须复合材料汽车工业：玻璃基晶须复合材料SiC/SiO2已用作汽车热交换器的支管内衬，发动机已用作汽车热交换器的支管内衬，发动机活塞的耐磨部位已采用活塞的耐磨部位已采用SiC/Al材料，大大提材料，大大提高了使用寿命。正在开发晶须塑料复合材高了使用寿命。正在开发晶须塑料复合材料的汽车车身基本构件。料的汽车车身基本构件。n化学工业：已开发出晶须纸、晶须布和各化学工业：已开发出晶须纸、晶须布和各种过滤器，晶须增强橡胶也在研究中。种过滤器，晶须增强橡胶也在研究中。n生物医学材料：晶须复合材料已试用于牙生物医学材料：晶须复合材料已试用于牙齿、骨路等。齿、骨路等。n日用工业：塑料基晶须增强材料已制造出日用工业：塑料基晶须增强材料已制造出高尔夫球杆、钓鱼竿等。高尔夫球杆、钓鱼竿等。常用的晶须材料常用的晶须材料n碳酸钙晶须：方解石、文石型和球霞石型等碳酸钙晶须：方解石、文石型和球霞石型等多种结构类型。文石型碳酸钙晶须是近年出多种结构类型。文石型碳酸钙晶须是近年出现的一种新型针状材料现的一种新型针状材料,弥补了弥补了SiC、钛酸钾、钛酸钾晶须成本较高的弱点，具有白色度高、填充晶须成本较高的弱点，具有白色度高、填充量大的优点，在日用塑料等领域大量使用。量大的优点，在日用塑料等领域大量使用。文石型碳酸钙晶须具有强度高、模量高、耐文石型碳酸钙晶须具有强度高、模量高、耐热与隔热性好等优良特性。与塑料复合时与热与隔热性好等优良特性。与塑料复合时与基体树脂的相容性好，可以改善制品的加工基体树脂的相容性好，可以改善制品的加工性能，提高力学性能，制品表面光滑和耐磨性能，提高力学性能，制品表面光滑和耐磨性好，广泛应用于汽车、塑料、电气部件制性好，广泛应用于汽车、塑料、电气部件制造、高光洁度结构部件制造等领域。造、高光洁度结构部件制造等领域。n硫酸钙晶须：无水硫酸钙的纤维状单晶体硫酸钙晶须：无水硫酸钙的纤维状单晶体,其尺寸稳定其尺寸稳定,平均长径比为约平均长径比为约80,具有耐高具有耐高温、抗化学腐蚀、韧性好、强度高、耐磨温、抗化学腐蚀、韧性好、强度高、耐磨耗、气绝缘性好、容易进行表面处理、对耗、气绝缘性好、容易进行表面处理、对橡胶和塑料等聚合物的亲和力强等优点橡胶和塑料等聚合物的亲和力强等优点,而而价格却仅为碳化硅晶须的价格却仅为碳化硅晶须的1/2001/300,因因而具有较强的市场竞争力。而具有较强的市场竞争力。n氧化锌晶须氧化锌晶须(ZnO)：针状晶须和立体四针状：针状晶须和立体四针状晶须。前者与其他针状晶须一样晶须。前者与其他针状晶须一样,主要用作主要用作复合材料的增强剂；后者因为结构独特，除复合材料的增强剂；后者因为结构独特，除用于增强外用于增强外,还可用于制备功能性复合材料。还可用于制备功能性复合材料。氧化锌晶须由于其独特的立体四针状结构氧化锌晶须由于其独特的立体四针状结构,可各向同性地改善材料的力学性能可各向同性地改善材料的力学性能,如抗拉、如抗拉、抗弯曲和耐磨性能抗弯曲和耐磨性能;同时由于同时由于ZnO的耐高温的耐高温性、导热性和低膨胀系数性、导热性和低膨胀系数,能提高材料在高能提高材料在高温下的化学和尺寸稳定性。温下的化学和尺寸稳定性。n硼酸镁晶须：焦硼酸镁晶须，硼酸镁晶须：焦硼酸镁晶须，Mg2B2O5。它的。它的价格仅是碳化硅晶须的价格仅是碳化硅晶须的1/20-1/30,是复合材料是复合材料最有希望广泛应用的晶须之一。具有优异的力最有希望广泛应用的晶须之一。具有优异的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能等优点学性能、耐热性能、耐腐蚀性能等优点,广泛广泛用在铝、镁、合金及工程塑料中。不仅在增强用在铝、镁、合金及工程塑料中。不仅在增强复合材料时表现出良好的增强性能，其轻质、复合材料时表现出良好的增强性能，其轻质、高韧、耐磨、耐腐蚀等特点，可以应用于如发高韧、耐磨、耐腐蚀等特点，可以应用于如发动机活塞、连杆、压缩机汽缸、汽车刹车片和动机活塞、连杆、压缩机汽缸、汽车刹车片和离合器的衬片等耐热、耐磨部件；滑轮、凸轮、离合器的衬片等耐热、耐磨部件；滑轮、凸轮、轴承、拉锁及体育用品等耐磨部件。轴承、拉锁及体育用品等耐磨部件。n增强塑料方面增强塑料方面,硼酸镁晶须比钛酸钾晶须具有硼酸镁晶须比钛酸钾晶须具有更好的性能更好的性能,n硼酸铝晶须：人工控制得到的针状单晶晶须，硼酸铝晶须：人工控制得到的针状单晶晶须，正交系结构，由正交系结构，由Al2O3与与B2O3以一定的比例结合以一定的比例结合得到，一般式为得到，一般式为nAl2O3mB2O3。高的弹性模量、。高的弹性模量、良好的机械强度；耐热性、耐化学药品性、耐良好的机械强度；耐热性、耐化学药品性、耐酸性、电绝缘性、中子吸收性能、与金属共价酸性、电绝缘性、中子吸收性能、与金属共价性等特点，可用于绝热、耐热和耐腐材料，以性等特点，可用于绝热、耐热和耐腐材料，以及热塑性树脂、热固性树脂、水泥、陶瓷和金及热塑性树脂、热固性树脂、水泥、陶瓷和金属的补强剂。价格低，碳化硅晶须的属的补强剂。价格低，碳化硅晶须的1/10-1/30，市场潜力很大，用于轻金属合金、陶瓷材料、，市场潜力很大，用于轻金属合金、陶瓷材料、树脂基复合材料及涂料等的增强方面。树脂基复合材料及涂料等的增强方面。n增强高分子材料是研究热点之一，制得的复合增强高分子材料是研究热点之一，制得的复合材料具有优异的强度、刚度、耐磨性、耐冲击材料具有优异的强度、刚度、耐磨性、耐冲击性及润滑性能。性及润滑性能。n钛酸钾晶须：钛酸钾晶须：K2OnTiO2，人工矿物，人工矿物，n=2,4时为层状结构，时为层状结构，n=6,8时为孔道式结构，常时为孔道式结构，常见的为四钛酸钾见的为四钛酸钾K2O4TiO2和六钛酸钾和六钛酸钾K2O6TiO2。制备方法有烧结法、熔融法、。制备方法有烧结法、熔融法、助溶剂法、水热法等。助溶剂法、水热法等。n具有优良的绝热性、耐化学药品性、耐磨耗具有优良的绝热性、耐化学药品性、耐磨耗性、低热导率和高红外反射率，高温下导热性、低热导率和高红外反射率，高温下导热系数极低、价格相对较低以及硬度低等特点，系数极低、价格相对较低以及硬度低等特点，可用作绝热材料，电绝缘材料、催化剂载体、可用作绝热材料，电绝缘材料、催化剂载体、过滤材料、摩擦材料等。用过滤材料、摩擦材料等。用Sb/SnO2进行导电进行导电性处理后，可用作导电材料、离子交换材料性处理后，可用作导电材料、离子交换材料和吸附剂。和吸附剂。n其最诱人的应用潜力是复合材料的增强。其最诱人的应用潜力是复合材料的增强。作为多种高分子材料的补强增韧剂，钛酸作为多种高分子材料的补强增韧剂，钛酸钾晶须不仅可以明显低改善材料耐磨、防钾晶须不仅可以明显低改善材料耐磨、防滑及尺寸稳定性等性能，而且由于硬度较滑及尺寸稳定性等性能，而且由于硬度较低低(莫氏硬度仅为莫氏硬度仅为4)，对成型加工设备与模，对成型加工设备与模具的磨损也较小。所制得的制品可以制成具的磨损也较小。所制得的制品可以制成齿轮、轴承、垫片、阀门等齿轮、轴承、垫片、阀门等,在飞机、汽车、在飞机、汽车、机器人、仪表、计算机和船舶等领域具有机器人、仪表、计算机和船舶等领域具有广泛的应用。广泛的应用。n碳化硅晶须：立方晶须，和金刚石同构，是碳化硅晶须：立方晶须，和金刚石同构，是晶须中硬度最高，模量最大，抗拉伸强度最晶须中硬度最高，模量最大，抗拉伸强度最大，耐热温度最高的晶须产品，有大，耐热温度最高的晶须产品，有和和型两型两种形式，种形式，型具有更高的硬度型具有更高的硬度(莫氏硬度达莫氏硬度达9.5以上以上)，更好的韧性和导电性能，抗磨、耐高，更好的韧性和导电性能，抗磨、耐高温，特别耐地震、耐腐蚀、耐辐射，已经在温，特别耐地震、耐腐蚀、耐辐射，已经在飞机、导弹的外壳上以及发动机、高温涡轮飞机、导弹的外壳上以及发动机、高温涡轮转子、特种部件上得到应用。转子、特种部件上得到应用。n碳化硅是极端各向异性生长的晶体，是在碳碳化硅是极端各向异性生长的晶体，是在碳化硅粒子的基础上通过催化剂作用，沿面生化硅粒子的基础上通过催化剂作用，沿面生长的短纤维晶体，生产方法主要有气相反应长的短纤维晶体，生产方法主要有气相反应法和固体材料法两种法和固体材料法两种,其中固体材料法更为其中固体材料法更为经济经济,更加适合工化生产。更加适合工化生产。n硫酸镁晶须：硫酸镁晶须：MgSO45Mg(OH)23H2O，水，水合碱式硫酸镁，白色针状单晶纤维，直径合碱式硫酸镁，白色针状单晶纤维，直径0.5-1.0m，长度为，长度为20-80m，具有十分优异，具有十分优异的物理力学性，如强度高、模量高、电气性的物理力学性，如强度高、模量高、电气性能好。其膨胀系数与塑料相近，与塑料相容能好。其膨胀系数与塑料相近，与塑料相容性好，复合材料表现出优良的物理力学性能。性好，复合材料表现出优良的物理力学性能。还具有无毒、发烟量小、阻燃等特性。将硫还具有无毒、发烟量小、阻燃等特性。将硫酸镁晶须添加到塑料、橡胶等基体中制备复酸镁晶须添加到塑料、橡胶等基体中制备复合材料时，可以达到增强、阻燃双重效果。合材料时，可以达到增强、阻燃双重效果。n硫酸镁晶须增强的热塑树脂基复合材料，硫酸镁晶须增强的热塑树脂基复合材料，不仅具有很好的外观、优异的刚性、抗冲不仅具有很好的外观、优异的刚性、抗冲击力、弯曲模量和抗损伤能力，而且具有击力、弯曲模量和抗损伤能力，而且具有极低的体积收缩性、优异的尺寸精确度和极低的体积收缩性、优异的尺寸精确度和抗热性。与其它补强增韧剂相比，作用更抗热性。与其它补强增韧剂相比，作用更为明显，可以在铁路客车、货车、冷藏车为明显，可以在铁路客车、货车、冷藏车上应用于机车车身、客车和货车车箱或顶上应用于机车车身、客车和货车车箱或顶棚以及门、窗等部位。棚以及门、窗等部位。n木材的增强、阻燃，肥料的缓释剂木材的增强、阻燃，肥料的缓释剂n无机晶须作为一种新型的增强材料，具有高强无机晶须作为一种新型的增强材料，具有高强度、耐热、耐磨、防腐蚀、导电、绝缘、减振、度、耐热、耐磨、防腐蚀、导电、绝缘、减振、阻尼、吸波、阻燃等许多特殊的优点和功能。阻尼、吸波、阻燃等许多特殊的优点和功能。可用于热固性树脂、热塑性树脂、橡胶等聚合可用于热固性树脂、热塑性树脂、橡胶等聚合物中。能制造出高性能的工程塑料、复合材料、物中。能制造出高性能的工程塑料、复合材料、胶粘剂以及涂料等。胶粘剂以及涂料等。n填充于聚合物中，可能获得真正意义上的聚合填充于聚合物中，可能获得真正意义上的聚合物物/晶须复合物，可将晶须的刚性、尺寸稳定晶须复合物，可将晶须的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与高分子材料的韧性相结合，制性和热稳定性与高分子材料的韧性相结合，制造出高新技术所需的材料，开辟、扩大高分子造出高新技术所需的材料，开辟、扩大高分子材料的应用范围，这一领域已成为国内外研究材料的应用范围，这一领域已成为国内外研究的热点的热点,具有广阔的应用和市场前景。具有广阔的应用和市场前景。无机纤维无机纤维(InorganicFiber)n以矿物质为原料制成的化学纤维。主要品以矿物质为原料制成的化学纤维。主要品种有玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、种有玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维和金属纤维等。陶瓷纤维和金属纤维等。 n一维材料的无机纤维的开发应用特别活跃，一维材料的无机纤维的开发应用特别活跃，主要是复合材料需要具有优异物理、化学主要是复合材料需要具有优异物理、化学性能的无机纤维。光通信需要持殊的玻璃性能的无机纤维。光通信需要持殊的玻璃纤维、无机纤维。因而刺激了各种无机纤纤维、无机纤维。因而刺激了各种无机纤维的研究、开发和应用。维的研究、开发和应用。n目前最活跃的一维材料有光导纤维和碳纤目前最活跃的一维材料有光导纤维和碳纤维。维。无机纤维的特性无机纤维的特性单纤维特性单纤维特性显微结构特性显微结构特性化合物特性化合物特性高强度高强度绝热性绝热性耐热耐熔融金属性耐热耐熔融金属性高弹性高弹性吸音性吸音性耐磨性、离子交换性耐磨性、离子交换性小伸缩率小伸缩率防震性防震性硬度、难燃性硬度、难燃性可绕性可绕性吸附性吸附性耐腐蚀、润滑性耐腐蚀、润滑性方向性方向性过滤性过滤性耐候性、磁性耐候性、磁性透气性透气性催化性、生物适应性催化性、生物适应性缓冲性缓冲性绝缘性、射线屏蔽性绝缘性、射线屏蔽性高表面积性高表面积性导电性、中子吸收性导电性、中子吸收性透光性透光性制造方法（包括晶须制备）制造方法（包括晶须制备）分类分类方法方法实例实例熔融法熔融法（结晶）拉丝法纺丝（结晶）拉丝法纺丝蓝宝石，硅石，氧化铝蓝宝石，硅石，氧化铝-硅，金属纤维硅，金属纤维变成法变成法吹毛分绒法吹毛分绒法氧化铝氧化铝-硅，玻璃硅，玻璃抽取法抽取法硅硅反应法反应法氮化硼氮化硼蒸镀法蒸镀法中心线法中心线法碳化硅，硼碳化硅，硼先质烧成法先质烧成法压入法压入法氧化锆，氧化铝氧化锆，氧化铝前驱聚合法前驱聚合法氧化铝，碳化硅氧化铝，碳化硅固相法固相法直接反应法直接反应法碳化硅晶须，钛酸钾碳化硅晶须，钛酸钾液相法液相法助溶剂法助溶剂法钛酸钾钛酸钾水热法水热法钛酸钾钛酸钾气相法气相法气相反应法气相反应法各酸晶须各酸晶须气相析出法气相析出法金属晶须金属晶须机械法机械法拉丝法拉丝法不锈钢纤维，其他金属纤维不锈钢纤维，其他金属纤维高频振动法高频振动法不锈钢纤维，其他金属纤维不锈钢纤维，其他金属纤维无机纤维分类无机纤维分类 无机纤维一般按结构分类见表无机纤维一般按结构分类见表来源来源 结构结构 纤维纤维 名称名称天然的天然的 多晶多晶单晶单晶 石棉石棉合成的合成的 无定形无定形 玻璃玻璃玻璃纤维玻璃纤维矿渣矿渣矿物纤维矿物纤维岩石岩石陶瓷陶瓷石英石英石英玻璃石英玻璃多晶多晶 硼硼多晶无机纤维多晶无机纤维 碳化硅碳化硅氮化硼氮化硼碳化硼碳化硼 氧化铝氧化铝氧化锆氧化锆钢、铝、钨钢、铝、钨金属纤维金属纤维碳、石墨碳、石墨碳纤维碳纤维单晶单晶 金刚砂金刚砂碳化硅碳化硅单晶无机纤维和须晶单晶无机纤维和须晶六钛酸钾六钛酸钾n玻璃纤维：用玻璃熔体拉制成的纤维。主玻璃纤维：用玻璃熔体拉制成的纤维。主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙，也要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙，也可以因改性需要加入一些其他成分。可以因改性需要加入一些其他成分。n玻璃纤维又分硅酸盐玻璃纤维和硼硅酸盐玻璃纤维又分硅酸盐玻璃纤维和硼硅酸盐玻璃纤维两大类。玻璃纤维两大类。n硅酸盐玻璃纤维根据特性又分为：无碱电硅酸盐玻璃纤维根据特性又分为：无碱电绝缘玻璃（绝缘玻璃（E玻璃）、碱玻璃（玻璃）、碱玻璃（A玻璃）、玻璃）、耐化学玻璃（耐化学玻璃（C玻璃）、高强玻璃（玻璃）、高强玻璃（S玻璃）玻璃）、含钻玻璃、含钻玻璃(L玻璃玻璃)、高弹性模量玻璃（、高弹性模量玻璃（M玻璃）和低介电玻璃玻璃）和低介电玻璃(D玻璃玻璃)等。等。玻璃纤维的发展历史玻璃纤维的发展历史早早在在20世世纪纪60年年代代，玻玻璃璃纤纤维维就就在在飞飞机机上上获获得得了了应应用用，但但由由于于当当时时的的价价格格昂昂贵贵，工工艺艺性性能能欠欠佳佳等等原原因因，未未能能获获得得进进一一步步的的发发展展和和重重视视。后后来来，随随着着技技术术的的改改进进和和应应用用领领域域的的扩扩大大，玻玻璃璃纤纤维维越越来来越越多多地地用用于于军军事事目目的的，特特别别是是航航天天、航航空空工工业业，约约占占航航天天、航航空空用用的的增增强强纤纤维维的的67.7%。随随后后，其其应应用用范范围围日日益益扩扩大大，如如体体育育器器具具、建建筑筑构构件件、轻轻工工制制品品、化化工工管管道道、汽汽车车工工业业、医医疗疗器器械械、舟舟艇艇船船舰舰等等都都已已普普遍遍采采用用和和积积极极普普及及玻玻璃璃纤纤维维极极其其复复合合材材料料。20世世纪纪80年年代以来，其年均增长率高达代以来，其年均增长率高达10%左右。左右。玻璃一般人的观念为质硬易碎物体，并不玻璃一般人的观念为质硬易碎物体，并不适于作为结构用材，但如把其抽成丝后，适于作为结构用材，但如把其抽成丝后，则其强度大为增加且具有柔软性，故配合则其强度大为增加且具有柔软性，故配合树脂赋予形状以后终于可以成为优良的结树脂赋予形状以后终于可以成为优良的结构用材。玻璃纤维随其直径变小其强度增构用材。玻璃纤维随其直径变小其强度增高。作为补强材玻璃纤维具有以下之特点，高。作为补强材玻璃纤维具有以下之特点，这些特点使玻璃纤维之使用远较其他种类这些特点使玻璃纤维之使用远较其他种类纤维来得广泛，发展速度亦遥遥领先。纤维来得广泛，发展速度亦遥遥领先。玻璃纤维特性玻璃纤维特性n(1)拉伸强度高，伸长小拉伸强度高，伸长小(3%)。n(2)弹性系数高，刚性佳。弹性系数高，刚性佳。n(3)弹性限度内伸长量大，拉伸强度高，吸收冲击能弹性限度内伸长量大，拉伸强度高，吸收冲击能量大。量大。n(4)为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳。为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳。n(5)吸水性小。吸水性小。n(6)尺度安定性，耐热性均佳。尺度安定性，耐热性均佳。n(7)加工性优越，可作成股、束、毡、织布等不同形加工性优越，可作成股、束、毡、织布等不同形态之产品。态之产品。n(8)透明可透过光线。透明可透过光线。n(9)与树脂接着性良好。与树脂接着性良好。n(10)价格便宜。价格便宜。n玻璃纤维常用以下两种方法制造：玻璃纤维常用以下两种方法制造：n玻璃球法，根据要求的配方制成玻璃小球，剔除玻璃球法，根据要求的配方制成玻璃小球，剔除次品，而后送入坩埚中熔融，使熔态玻璃从坩埚次品，而后送入坩埚中熔融，使熔态玻璃从坩埚底部的许多小孔中流出形成丝束。此后将丝束上底部的许多小孔中流出形成丝束。此后将丝束上油并集束再送到速度高达油并集束再送到速度高达20005000米米/分的拉分的拉丝机卷绕筒上，拉伸而成为玻璃丝。丝机卷绕筒上，拉伸而成为玻璃丝。玻璃球玻璃球熔池熔池铂坩锅铂坩锅n直接法：即池窑拉丝法。不需要先制成玻直接法：即池窑拉丝法。不需要先制成玻璃球，可以直接将各组分按配比同时投入璃球，可以直接将各组分按配比同时投入池窑内熔融，熔态玻璃经澄清后通过窑内池窑内熔融，熔态玻璃经澄清后通过窑内数十块拉丝板的小孔流出，再按前述处理数十块拉丝板的小孔流出，再按前述处理工序获得玻璃长丝。此外，也可以采用高工序获得玻璃长丝。此外，也可以采用高压蒸汽或压缩空气喷吹刚出喷丝板小孔的压蒸汽或压缩空气喷吹刚出喷丝板小孔的玻璃流，将其吹拉成玻璃流，将其吹拉成1238厘米长度的短厘米长度的短纤维，即玻璃棉。如从快速旋转的容器四纤维，即玻璃棉。如从快速旋转的容器四周的小孔中甩出玻璃熔液，则可借离心力周的小孔中甩出玻璃熔液，则可借离心力使其分散而后凝固为纤维。使其分散而后凝固为纤维。n玻璃纤维除有连续的长丝和切成一定长度玻璃纤维除有连续的长丝和切成一定长度的短纤维供作织物用之外，近年来又发展的短纤维供作织物用之外，近年来又发展了卷曲纤维、空心纤维、麻面纤维和表面了卷曲纤维、空心纤维、麻面纤维和表面涂层纤维等品种。根据用途尚有：有拈纱、涂层纤维等品种。根据用途尚有：有拈纱、无拈纱、膨体纱、混纺纱、染色纱、导电无拈纱、膨体纱、混纺纱、染色纱、导电纱、股线、缝纫线、缆线、轮胎帘子线、纱、股线、缝纫线、缆线、轮胎帘子线、毡片和各种织物制品。毡片和各种织物制品。n玻璃纤维的截面呈圆形，直径在数微米至玻璃纤维的截面呈圆形，直径在数微米至20微米之间，比重微米之间，比重2.42.7克克/厘米厘米3;拉伸强拉伸强度可达度可达7克克/旦，导热系数旦，导热系数0.03千卡千卡/米米度。度。有良好的耐热性、耐湿性、不燃性、耐化有良好的耐热性、耐湿性、不燃性、耐化学腐蚀性、抗霉、抗蛀、电绝缘性等特点。学腐蚀性、抗霉、抗蛀、电绝缘性等特点。n玻璃纤维广泛用于装饰织物、增强复合材玻璃纤维广泛用于装饰织物、增强复合材料、电绝缘、绝热、化工过滤和环保工程料、电绝缘、绝热、化工过滤和环保工程上的吸音材料。玻璃纤维质轻，强度高，上的吸音材料。玻璃纤维质轻，强度高，耐腐蚀和耐高温，还被用来制造高负荷轮耐腐蚀和耐高温，还被用来制造高负荷轮胎帘子线和传送带，在火箭技术、宇航服胎帘子线和传送带，在火箭技术、宇航服和人造卫星外壳等方面也得到广泛的应用。和人造卫星外壳等方面也得到广泛的应用。n石英玻璃纤维：以高纯度的晶体石英加工石英玻璃纤维：以高纯度的晶体石英加工而成的纤维。将石英棒或石英管通过氢氧而成的纤维。将石英棒或石英管通过氢氧气吹管的高温初步熔融成细丝，再通过一气吹管的高温初步熔融成细丝，再通过一排轴向氢氧细吹管将其在软化状态下拉成排轴向氢氧细吹管将其在软化状态下拉成石英丝，卷绕在金属圆筒网上。所得纤维石英丝，卷绕在金属圆筒网上。所得纤维的直径约为的直径约为0.8微米，最大抗拉强度为微米，最大抗拉强度为650公公斤斤/毫米毫米2。n石英纤维耐酸、耐碱（石英纤维耐酸、耐碱（KOH例外），熔点例外），熔点超过超过1660，有良好的绝缘性和回弹性。，有良好的绝缘性和回弹性。常用于过滤热酸和腐蚀性气体，也可用于常用于过滤热酸和腐蚀性气体，也可用于原子能工厂热绝缘和防辐射材料、喷气式原子能工厂热绝缘和防辐射材料、喷气式飞机机翼和导弹部件等的纤维材料，还可飞机机翼和导弹部件等的纤维材料，还可用以制造光导纤维。用以制造光导纤维。n陶瓷纤维：主要品种有高岭土纤维、铁矾土陶瓷纤维：主要品种有高岭土纤维、铁矾土纤维、蓝晶石纤维等。成分均为氧化铝和二纤维、蓝晶石纤维等。成分均为氧化铝和二氧化硅。含有氧化铝和二氧化硅组分的天然氧化硅。含有氧化铝和二氧化硅组分的天然矿物在熔炉中熔融后，从炉底小孔中流出矿物在熔炉中熔融后，从炉底小孔中流出,被被接近垂直的压缩空气吹拉成极细的纤维。接近垂直的压缩空气吹拉成极细的纤维。n这种纤维有突出的耐热性，在这种纤维有突出的耐热性，在1260的高温的高温下仍保持弹性，能抵抗红外线的辐射，有极下仍保持弹性，能抵抗红外线的辐射，有极强的过滤能力，可以过滤直径仅为强的过滤能力，可以过滤直径仅为0.3微米的微米的粒子，特别适用于腐蚀性液体和气体的过滤，粒子，特别适用于腐蚀性液体和气体的过滤，绝缘性能好。用它制成的毡是优良的隔热材绝缘性能好。用它制成的毡是优良的隔热材料，可作为内燃机、喷气发动机和火箭发射料，可作为内燃机、喷气发动机和火箭发射台的消音器。台的消音器。n金属纤维：以金属或其他合金制成的纤维。早金属纤维：以金属或其他合金制成的纤维。早期采用拉细金属丝或切割滚卷的金属箔来制造，期采用拉细金属丝或切割滚卷的金属箔来制造，现已采用熔体纺丝法制取。金属纤维比重大、现已采用熔体纺丝法制取。金属纤维比重大、质硬、不吸汗、易生锈，所以不适宜作衣着之质硬、不吸汗、易生锈，所以不适宜作衣着之用。但可作室内装饰品、帷帐、挂景等。工业用。但可作室内装饰品、帷帐、挂景等。工业上用作轮胎帘子线、带电工作服、电工材料等。上用作轮胎帘子线、带电工作服、电工材料等。J 优点：优点：断裂之前可以有百分之几的延伸率断裂之前可以有百分之几的延伸率复合后断裂能量大幅提高复合后断裂能量大幅提高具有导电性具有导电性可以获得一些新的性能可以获得一些新的性能n缺点与主要问题缺点与主要问题n密度较大密度较大n纤维高温下的氧化纤维高温下的氧化n再结晶等引起纤维的脆性再结晶等引起纤维的脆性n热膨胀系数存在有差异产生热膨胀与收缩热膨胀系数存在有差异产生热膨胀与收缩的不匹配的不匹配陶瓷纤维纸陶瓷纤维织品无机纤维布防火卷帘门玻璃纤维玻璃纤维绳碳纤维碳纤维碳纤维可以用以下原材料制得：人造丝、碳纤维可以用以下原材料制得：人造丝、石油（或煤的蒸溜残碴）以及石油（或煤的蒸溜残碴）以及PAN（聚丙烯腈聚丙烯腈(polyacryonitrile;PAN)系碳纤维）等。其系碳纤维）等。其特性也因原材料而有所差别。特性也因原材料而有所差别。碳纤维最突出的优点是：碳纤维最突出的优点是：n强度高、模量高、密度小；强度高、模量高、密度小；n耐高温，可在耐高温，可在2000C使用，使用，3000C非氧化气非氧化气氛中不熔不软；氛中不熔不软；n耐酸，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮耐酸，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质浸蚀；等介质浸蚀；n热膨胀系数小，约等于零；热膨胀系数小，约等于零；n热导率高；热导率高；n导电性好；导电性好；n摩擦系数小并具润滑性。摩擦系数小并具润滑性。以人造丝作为原材料以人造丝作为原材料该方法最早是该方法最早是1959年开发的。该类纤年开发的。该类纤维主要是在美国生产，用于碳维主要是在美国生产，用于碳-碳复合材料。碳复合材料。但是由于其碳化收得率较低（约但是由于其碳化收得率较低（约25%），），且性能与其它碳纤维相比较低，现在已逐且性能与其它碳纤维相比较低，现在已逐渐被渐被PAN原料的碳纤维所取代。原料的碳纤维所取代。制备方法制备方法沥青沥青（相对分子质量（相对分子质量500500）平面缩合芳香环分子平面缩合芳香环分子（分子质量大于（分子质量大于1000）加热加热350脱水缩合反应脱水缩合反应高分子量分子数量增多高分子量分子数量增多表面张力作用表面张力作用从均质沥青中从均质沥青中分离出液晶分离出液晶液晶连续相液晶连续相沥青液晶纤维沥青液晶纤维数量超过数量超过40%纺丝纺丝碳化碳化碳纤维碳纤维以沥青作为原材料以沥青作为原材料原丝原丝制造制造改改性性的的丙丙烯烯纤纤维维稳定稳定化化硫硫酸酸脱脱氢氢，桥桥接接反反应应，嘧嘧啶啶聚聚合合物物碳化碳化在在氮氮气气中中加加热热一一千千至至两两千千度度稳定稳定化化碳碳、氮氮等等结结合合反反应应，脱脱氢氢反反应应表面表面处理处理表表面面形形成成氢氢氧氧基基，或或涂涂有有机机聚聚合合物物精整精整稳稳定定纤纤维维尺尺寸寸以以PAN作为原材料作为原材料PAN基碳纤维因其具有的高强度、高刚度、基碳纤维因其具有的高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点，在与其他纤维的竞争中发展壮大。目特点，在与其他纤维的竞争中发展壮大。目前世界主要聚丙烯腈（前世界主要聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产基碳纤维生产厂家的总生产能力已达到厂家的总生产能力已达到31650吨的规模，仅吨的规模，仅次于芳纶，跃居世界高性能纤维的第二位。次于芳纶，跃居世界高性能纤维的第二位。聚丙烯腈（聚丙烯腈（PAN）基碳纤维有两大类，即大）基碳纤维有两大类，即大丝束碳纤维（丝束碳纤维（LT）和小丝束碳纤维（）和小丝束碳纤维（CT）。）。20世纪世纪90年代中期以前世界上生产的都是年代中期以前世界上生产的都是CT型碳纤维。型碳纤维。1996年美国在年美国在LT型碳纤维技术上型碳纤维技术上取得重大突破并进行了工业化生产，生产出取得重大突破并进行了工业化生产，生产出位伸强度可以与位伸强度可以与CT型碳纤维相媲美的型碳纤维相媲美的LT型型碳纤维，逐渐取代了原来由碳纤维，逐渐取代了原来由CT型碳纤维独占型碳纤维独占的军事国防、航空航天、体育休闲等应用领的军事国防、航空航天、体育休闲等应用领域，进而广泛地向其他领域渗透和发展。域，进而广泛地向其他领域渗透和发展。各种碳纤维的力学性能各种碳纤维的力学性能原原料料抗拉抗拉强强度度（MPa）弹性模量性模量（GPa）延伸率延伸率（%）人造人造丝（低（低弹性模量性模量丝）686391.8人造人造丝（高（高弹性模量性模量丝）27444900.6沥青（低青（低弹性模量性模量丝）784392.0沥青（高青（高弹性模量性模量丝）24503434900.50.7PAN（高高强强度度丝）34302251.5PAN（高高弹性模量性模量丝）24503920.6碳纤维碳纤维镀镍碳纤维镀镍碳纤维碳短纤维碳短纤维碳纤维织物碳纤维织物碳碳纤纤维维非非织织布布纤维素纤维：复杂应力，石墨化，收率低纤维素纤维：复杂应力，石墨化，收率低沥青纤维：原料便宜，收率高；杂质影响性能沥青纤维：原料便宜，收率高；杂质影响性能PAN纤维：基础研究全面，工艺成熟纤维：基础研究全面，工艺成熟碳碳纤维的价格的价格 （美元（美元/ /kgkg）年代年代 1975 1980 1985 1990 1995 20002005价格价格200805021201712-15世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克（泰克（ZOLTEK）、）、阿克苏（阿克苏（AKZO）、）、阿尔阿尔迪拉（迪拉（ALDIL1）和德国的和德国的SGL公司等。其中日公司等。其中日本三大集团占世界生产能力的本三大集团占世界生产能力的75。世界。世界CT型型碳纤维总生产能力为碳纤维总生产能力为22100吨吨/年；年；LT型碳纤维型碳纤维总生产能力为总生产能力为9550吨吨/年；实际生产量约为年；实际生产量约为7000吨吨/年。年。PAN基碳纤维在国外获得应用的主要领基碳纤维在国外获得应用的主要领域有：航空航天工业，地面交通工具，如域有：航空航天工业，地面交通工具，如汽车、赛气、快速列车等，造船工业、码汽车、赛气、快速列车等，造船工业、码头和海上设施，体育用品与休闲用品，电头和海上设施，体育用品与休闲用品，电子产品，基础设施以及造纸、纺织、医疗子产品，基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等领器械、化工、冶金、石油、机械工业等领域，要求零部件在高强度、高刚度、重量域，要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作。轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作。我国经过我国经过20多年自行开发，碳纤维从无多年自行开发，碳纤维从无到有、从研制到生产都取得一定成绩，目前可到有、从研制到生产都取得一定成绩，目前可以批量生产低档的碳纤维产品，但与国外水平以批量生产低档的碳纤维产品，但与国外水平相比，差距较大。具体表现在：相比，差距较大。具体表现在：碳纤维性能不稳定；碳纤维性能不稳定；没有高性能产品；没有高性能产品；产品规格少、品种单一；产品规格少、品种单一；碳纤维连续长度不够、产品不够规格化；碳纤维连续长度不够、产品不够规格化；大部分国产碳纤维未经过表面处理，不能大部分国产碳纤维未经过表面处理，不能用于高性能复合材料增强，不能用于航空、航用于高性能复合材料增强，不能用于航空、航天飞机上主承力构件。天飞机上主承力构件。国内主要研究与生产单位国内主要研究与生产单位上海交通大学上海交通大学北京化工大学北京化工大学湖南大学湖南大学山西煤炭化学研究所山西煤炭化学研究所北京航空材料研究院北京航空材料研究院沈阳飞行设计研究所沈阳飞行设计研究所全国特种合成纤维研究中心全国特种合成纤维研究中心历史与现状历史与现状l20世纪世纪60年代起步年代起步l70年代中试年代中试l强度强度2.5GPa，与日本相差与日本相差5年年l75、85、95为攻克为攻克T300（日日本已经淘汰）本已经淘汰）l年产数十吨年产数十吨（美国（美国A厂厂1800吨，吨，37440万美圆元）万美圆元）该领域的主要课题与研究热点该领域的主要课题与研究热点l需要解决的问题：原丝质量、原始创新、需要解决的问题：原丝质量、原始创新、自力更生、精诚协作自力更生、精诚协作优质原丝是生产高性能碳纤维的前提。高优质原丝是生产高性能碳纤维的前提。高纯、高强、高取向度纯、高强、高取向度预氧化是控制碳纤维质量的重要因素。防预氧化是控制碳纤维质量的重要因素。防熔、防燃，耐热梯形结构熔、防燃，耐热梯形结构碳化和石墨化工艺是制备高性能碳纤维的碳化和石墨化工艺是制备高性能碳纤维的关键。高纯氮气或氩气保护，脱氮交联，关键。高纯氮气或氩气保护，脱氮交联，排除非碳元素，瞬时排出热解产物。排除非碳元素，瞬时排出热解产物。硼纤维硼纤维 n硼纤维是以钨丝等为芯线，用化学气相沉积硼纤维是以钨丝等为芯线，用化学气相沉积（CVD）的方法制备的。它具有优异的力学的方法制备的。它具有优异的力学性能。虽然价格很高，但性能稳定，偏差小，性能。虽然价格很高，但性能稳定，偏差小，是可靠性很高的一种纤维。是可靠性很高的一种纤维。n比较：比较：玻璃纤维玻璃纤维熔融纺丝熔融纺丝金属纤维金属纤维拔丝拔丝碳纤维碳纤维制成丝后氮化制成丝后氮化n硼纤维：一般采用卤化硼还原生成的元素硼纤维：一般采用卤化硼还原生成的元素硼，在连续蒸发装置中析附于载体纤维硼，在连续蒸发装置中析附于载体纤维(金金属纤维或化学纤维属纤维或化学纤维)上生成的包覆纤维。载上生成的包覆纤维。载体纤维在析附室的三氯化硼和氢气的混合体纤维在析附室的三氯化硼和氢气的混合气流中，于气流中，于10001200的温度下徐徐通的温度下徐徐通过，元素硼的蒸气即沉积在载体纤维上。过，元素硼的蒸气即沉积在载体纤维上。通过调节载体纤维经过沉积室的速度，可通过调节载体纤维经过沉积室的速度，可获得不同直径的硼纤维。获得不同直径的硼纤维。硼纤维的制备硼纤维的制备n化学气相沉积：将所需金属或非金属的化合物盐（主要为挥发化学气相沉积：将所需金属或非金属的化合物盐（主要为挥发性卤化物）气化，与性卤化物）气化，与H2等气体一起加热，并使其与基体接触。等气体一起加热，并使其与基体接触。由于热分解或还原反应，就可以使金属或化合物在基体上析出。由于热分解或还原反应，就可以使金属或化合物在基体上析出。n将将BCl3与作为载体的与作为载体的H2一起加热，并使其在钨丝或者碳丝上流一起加热，并使其在钨丝或者碳丝上流过，发生下述反应。过，发生下述反应。2BCl3+3H22B+6HCl则可在细丝上析出硼，以适当的速度拉卷细丝，则可以得到硼则可在细丝上析出硼，以适当的速度拉卷细丝，则可以得到硼纤维。纤维。H2+BCl3H2+HClH2反应区反应区预热区预热区芯线芯线卷线轴卷线轴硼纤维显微结构硼纤维显微结构 表面为玉米棒的外形表面为玉米棒的外形特征。粗糙的表面相当特征。粗糙的表面相当于表面缺陷，降低了纤于表面缺陷，降低了纤维强度。维强度。强度：强度：小玉米节：小玉米节：3.33.7GPa大玉米节：大玉米节：2.8GPa棒状：棒状：1GPan硼纤维质地柔软，直径一般在硼纤维质地柔软，直径一般在100微米左右，微米左右，比重比重2.62克克/厘米厘米3，熔点，熔点2050。弹性模数比。弹性模数比玻璃钢高玻璃钢高5倍，断裂强度可达倍，断裂强度可达280350公斤公斤/毫米毫米2。几乎不受酸、碱和大多数有机溶剂的。几乎不受酸、碱和大多数有机溶剂的浸蚀，绝缘性良好，有吸收中子的能力。浸蚀，绝缘性良好，有吸收中子的能力。n但硼纤维在高温下能与大多数金属起反应而变但硼纤维在高温下能与大多数金属起反应而变脆，使用温度超过脆，使用温度超过1200时强力显著下降。时强力显著下降。n硼纤维除制成纺织材料用作宇航服和防火服外，硼纤维除制成纺织材料用作宇航服和防火服外，常与金属材料或塑料制成增强复合材料，用常与金属材料或塑料制成增强复合材料，用作航空、航天器中的耐烧蚀材料和防辐射材作航空、航天器中的耐烧蚀材料和防辐射材料等。料等。n在硼纤维开发的初期，作为芯线大多是钨丝在硼纤维开发的初期，作为芯线大多是钨丝芯线（纤维为芯线（纤维为100m时，芯线为时，芯线为13m，150m时为约时为约20m），），后来从成本上考虑，后来从成本上考虑，多使用碳的芯线（多使用碳的芯线（约约30m）。）。一般市场上所一般市场上所出售的硼纤维直径为出售的硼纤维直径为150m，实际应用中还实际应用中还可以再粗一些：例如可以再粗一些：例如300m。特点：特点：n与碳纤维等相比，硼纤维直径较粗、强度与碳纤维等相比，硼纤维直径较粗、强度也高也高n不能采用像碳纤维那样的成形方法。另外，不能采用像碳纤维那样的成形方法。另外，此类纤维不适宜用于曲率半径小的部分和此类纤维不适宜用于曲率半径小的部分和非常薄的板非常薄的板SiC纤维纤维CVD-SiC纤维纤维将有机硅化合物与氢气在将有机硅化合物与氢气在1000以上加热，在以上加热，在钨丝钨丝（12m）上沉积上沉积SiC。以沥青系碳纤维为芯线以沥青系碳纤维为芯线（约（约30m）的）的SiC/C纤维。纤维。为了提高该类纤维与基体的结合性，在纤维为了提高该类纤维与基体的结合性，在纤维的表面再沉积一层碳。的表面再沉积一层碳。商品牌号商品牌号:SCS-2，SCS-6，SCS-8，SCS-9等。等。（例如（例如SCS-2是在纤维表面涂有是在纤维表面涂有1m厚的碳层。厚的碳层。SCS-9是直径为是直径为80m的较细的纤维。）的较细的纤维。）特性：特性：CVD-SiC/C纤维用于纤维用于Si3N4基复合材料基复合材料时表现出了优异的高温强度。时表现出了优异的高温强度。SiC纤维制备工艺纤维制备工艺PC-SiC纤维纤维(前驱体法前驱体法)n将有机硅聚合物与碳为主的材料进行多羧硅将有机硅聚合物与碳为主的材料进行多羧硅烷纺丝，经热氧化不熔处理后，烧成而制。烷纺丝，经热氧化不熔处理后，烧成而制。n成分接近成分接近Si3C4O。以。以-SiC为主。为主。n纤维直径为纤维直径为14mn在在12001300烧成时可获得最高的抗拉强烧成时可获得最高的抗拉强度与弹性模量。度与弹性模量。SiC纤维特性纤维特性n结构：热分解碳呈结构：热分解碳呈25nm的结晶状态。的结晶状态。Si的的氧化物呈非晶状态，彼此均匀分布。氧化物呈非晶状态，彼此均匀分布。n物理性能：电阻率随烧成温度而异。可在物理性能：电阻率随烧成温度而异。可在106103cm的范围变化。的范围变化。n用途：该类纤维用于强化环氧树脂基复合材用途：该类纤维用于强化环氧树脂基复合材料，其压缩强度和冲击强度与碳纤维强化环料，其压缩强度和冲击强度与碳纤维强化环氧树脂相比，可提高氧树脂相比，可提高2倍。且由于具有电波透倍。且由于具有电波透过性，可用于雷达无线电罩。该类纤维也用过性，可用于雷达无线电罩。该类纤维也用于强化于强化Al基复合材料。不仅力学性能优异，基复合材料。不仅力学性能优异，且容易形变加工。且容易形变加工。n该类纤维的直径可该类纤维的直径可达达10m以下，且柔韧性好，以下，且柔韧性好，所以适合于三维编织物。纤维的高温性能较所以适合于三维编织物。纤维的高温性能较好，用其强化的复合材料不仅在与纤维平行好，用其强化的复合材料不仅在与纤维平行方向强度很高，而且在纤维垂直的方向上也方向强度很高，而且在纤维垂直的方向上也获得了较高的强度。该类纤维对金属、陶瓷获得了较高的强度。该类纤维对金属、陶瓷的适应性较好，可望得到大的发展。的适应性较好，可望得到大的发展。nPC-SiC纤维与纤维与CVD-SiC纤维相比，强度和弹纤维相比，强度和弹性模量都较低，但柔韧性好，适用于编织物性模量都较低，但柔韧性好，适用于编织物和复杂形状的复合材料。此外还可以将两类和复杂形状的复合材料。此外还可以将两类纤维结合使用，能够增大纤维的体积分散，纤维结合使用，能够增大纤维的体积分散，从而得到高性能的复合材料。从而得到高性能的复合材料。Al2O3纤维纤维n诸如浆状法，聚合物法，溶胶诸如浆状法，聚合物法，溶胶-凝胶法，无凝胶法，无机盐法机盐法，EFG法等方法都已用来制备出各法等方法都已用来制备出各种种Al2O3纤维。其性能虽因制备方法而有差纤维。其性能虽因制备方法而有差异，但一般说来具有异，但一般说来具有2040的熔点。耐热、的熔点。耐热、绝缘，具有绝缘，具有-Al2O3结构的纤维为无色透明、结构的纤维为无色透明、折射率为折射率为1.65。该纤维不与熔融金属反应，。该纤维不与熔融金属反应，所以可望在金属基、陶瓷基复合材料中发所以可望在金属基、陶瓷基复合材料中发挥作用。挥作用。Si3N4系纤维系纤维n将聚环氨烷以及多羧硅烷作为先驱体进行纺丝，将聚环氨烷以及多羧硅烷作为先驱体进行纺丝，在惰性气体或在惰性气体或NH3中烧成，可以得到白色，具中烧成，可以得到白色，具有优异耐热性的有优异耐热性的Si3N4纤维。若在该聚合物中加纤维。若在该聚合物中加入硼，可获得高温性能优异的含硼入硼，可获得高温性能优异的含硼Si3N4纤维。纤维。用胶态聚硅氨烷作为前驱体，在三氯硅烷蒸气用胶态聚硅氨烷作为前驱体，在三氯硅烷蒸气中进行不融化处理，再在中进行不融化处理，再在N2中烧结，可制作中烧结，可制作Si-N-C纤维。此外，将纤维。此外，将PC-SiC纤维的前驱体多羧纤维的前驱体多羧硅烷纤维在惰性气体中用放射线进行不熔化处硅烷纤维在惰性气体中用放射线进行不熔化处理后在理后在NH3中烧成，可将中烧成，可将C置换为置换为N，得到无色、得到无色、不透明的不透明的Si-N系纤维。如果用热氧化进行不熔系纤维。如果用热氧化进行不熔化处理，则氮化后得到非晶的化处理，则氮化后得到非晶的Si-N-O系纤维。系纤维。BN系、系、AlN系纤维系纤维将氧化硼纤维将氧化硼纤维与与NH3反应，使其氮化而制备反应，使其氮化而制备BN纤维，但纤维内部缺陷较多，强度较低。纤维，但纤维内部缺陷较多，强度较低。用甲基氨基醇的热缩合物进行熔融纺丝。用甲基氨基醇的热缩合物进行熔融纺丝。同时，用表面加水分解进行不熔化，再在同时，用表面加水分解进行不熔化，再在NH3气体中烧制成气体中烧制成BN纤维。在纤维。在1800所得所得纤维直径约纤维直径约50m。强度和弹性模量分别为强度和弹性模量分别为1GPa和和80GPa。AlN系纤维可由热塑性有机铝聚合物作前驱系纤维可由热塑性有机铝聚合物作前驱体，熔融纺丝后，在体，熔融纺丝后，在NH3气流中烧成而得。气流中烧成而得。有望作为高热传导性有望作为高热传导性AlN烧结体的强化纤维。烧结体的强化纤维。作为复合材料强化体的陶瓷纤维作为复合材料强化体的陶瓷纤维 性能要求性能要求高强度（高强度（2GPa以上）、高弹性模量以上）、高弹性模量（200GPa以上）。以上）。在氧化气氛及各种环境下能保持室温的性在氧化气氛及各种环境下能保持室温的性能，即使能，即使在在1800K以上的高温性能也不低下。以上的高温性能也不低下。连续的、细纤维（直径连续的、细纤维（直径50m以下）。以下）。纤维与基体的热膨胀系数接近。纤维与基体的热膨胀系数接近。陶瓷纤维的特性陶瓷纤维的特性陶瓷纤维直径（m）密度（g/cm3）抗拉强度（MPa）弹性模量（GPa）碳化硅SiC/CNicaronHI- NicaronTiranoTirano (6%O)SiC (MPS)14014148121110203.052.552.742.32.42.402.703.403.002.802.83.03.51.7400200270200220200210氮化硅Si3N4Si-N-C (HPZ)Si-N-O10101211132.52.42.32.52.81.8250180150碳T300T1000M40M60JCerbonic HM7075.36.55.0101.761.821.811.942.183.527.062.743.802.94235294392590686硼S/W1402.573.60400氧化铝Nextel 400AltexFiber-FPAlmax101210，1520103.053.23.93.62.001.801.401.76190210390323电纺丝技术是一种利用聚合物溶液或熔体电纺丝技术是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场中的喷射作用制备超细纤维的新型在强电场中的喷射作用制备超细纤维的新型加工技术。加工技术。获得无机纤维的新方法获得无机纤维的新方法-电纺丝技术电纺丝技术电纺丝的应用电纺丝的应用组织工程支架组织工程支架由胶原、聚乳酸等材料电纺丝制得的无纺布产品，结构性能由胶原、聚乳酸等材料电纺丝制得的无纺布产品，结构性能与细胞外基质（与细胞外基质（ECM）极其相似。控制好）极其相似。控制好条件条件，可得与天然胞，可得与天然胞外基质完全相同的结构和生物性能。是理想的组织工程支架。外基质完全相同的结构和生物性能。是理想的组织工程支架。直接生产膜状、无缝管状、梯度膜等形式的产品，以满足直接生产膜状、无缝管状、梯度膜等形式的产品，以满足皮肤、血管、神经等不同组织工程的需求。皮肤、血管、神经等不同组织工程的需求。 多孔多孔PLAPLA纳米管纳米管多孔多孔TiO2纳米管纳米管电纺丝在生物医学上的应用电纺丝在生物医学上的应用药物控释：可在聚合物溶液中加入药物进行电纺丝加工，得药物控释：可在聚合物溶液中加入药物进行电纺丝加工，得到具有药物控释功能的产品，用作伤口敷料等到具有药物控释功能的产品，用作伤口敷料等手术隔离膜：电纺丝制得的无纺布可用于防止术后粘连，可手术隔离膜：电纺丝制得的无纺布可用于防止术后粘连，可带药带药化学化学/生物保护膜生物保护膜医用过滤膜等医用过滤膜等n我校程博闻教授我校程博闻教授n东北师范大学邵长璐教授（国内领先）东北师范大学邵长璐教授（国内领先）n美国西雅图华盛顿大学美国西雅图华盛顿大学(WashingtonUniversity)夏幼男教授夏幼男教授玄武岩纤维玄武岩纤维n玄武岩属于火成岩的一种细粒岩，玄武岩属于火成岩的一种细粒岩，是以是以SiO和和AlO为主的矿物岩石，密度大。连续玄为主的矿物岩石，密度大。连续玄武岩纤维武岩纤维（ContinousBasaltFibre，以下，以下简称简称CBF）就是以天然玄武岩矿石作为原）就是以天然玄武岩矿石作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在料，将其破碎后加入熔窑中，在14501500熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。玄武岩纤维一般可分为普成的连续纤维。玄武岩纤维一般可分为普通玄武岩棉、超细玄武岩纤维和通玄武岩棉、超细玄武岩纤维和CBF。n美国德州的美国德州的CBF工业联盟指出：工业联盟指出：“CBF是是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能，尤为重要的是，由于它取自天然矿石能，尤为重要的是，由于它取自天然矿石而无任何添加剂，是目前为止唯一的无环而无任何添加剂，是目前为止唯一的无环境污染的不致癌的绿色健康玻璃质纤维产境污染的不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品。品。n玄武岩纤维于玄武岩纤维于19531954年由苏联莫斯科玻年由苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发出。第一台工业化生产璃和塑料研究院开发出。第一台工业化生产炉于炉于1985年在乌克兰纤维实验室年在乌克兰纤维实验室(TZI)建成建成投产，采用投产，采用200孔漏板、组合炉拉丝工艺。孔漏板、组合炉拉丝工艺。n第一代为人工加料全铂坩埚拉丝工艺；第二第一代为人工加料全铂坩埚拉丝工艺；第二代为有两块漏板以上的组合式拉丝炉拉丝工代为有两块漏板以上的组合式拉丝炉拉丝工艺；第三代是池窑拉丝工艺。艺；第三代是池窑拉丝工艺。n前苏联诸国的玄武岩纤维池窑已发展到年产前苏联诸国的玄武岩纤维池窑已发展到年产700吨规模，使用吨规模，使用400孔。美国玄武岩纤维孔。美国玄武岩纤维池窑现已发展到池窑现已发展到10001500吨规模，使用吨规模，使用800孔漏板拉丝技术。孔漏板拉丝技术。n耐温性好：使用温度范围耐温性好：使用温度范围-269700(软软化点为化点为960),而玻璃纤维为而玻璃纤维为-60450。n抗拉强度高：抗拉强度高：38004800MPa，比大丝束，比大丝束碳纤维、芳纶、碳纤维、芳纶、PBI纤维、钢纤维、硼纤维、纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高，与氧化铝纤维都要高，与S玻璃纤维相当。玻璃纤维相当。n良好的化学稳定性：耐酸性超过了一般用良好的化学稳定性：耐酸性超过了一般用作耐酸玻璃钢增强材料的作耐酸玻璃钢增强材料的ECR玻璃纤维，玻璃纤维，用在耐碱性介质过滤中比玻璃纤维使用寿用在耐碱性介质过滤中比玻璃纤维使用寿命长。命长。特性特性n抗热振稳定性抗热振稳定性n良好的介电性能：它的体积电阻率比良好的介电性能：它的体积电阻率比E玻璃玻璃纤维高一个数量级，可用于制造新型耐热纤维高一个数量级，可用于制造新型耐热介电材料。介电材料。n优良的透波性能和一定的吸波性能优良的透波性能和一定的吸波性能n与硅酸盐的天然相容性：用于建材增强。与硅酸盐的天然相容性：用于建材增强。应用应用n国防军工：玄武岩纤维为增强体制成的的复合国防军工：玄武岩纤维为增强体制成的的复合材料，在航空航天、火箭、导弹、战斗机、核材料，在航空航天、火箭、导弹、战斗机、核潜艇、军舰、坦克等国防军工领域有广泛的应潜艇、军舰、坦克等国防军工领域有广泛的应用。用。n土木建筑：与混凝土成分基本相同土木建筑：与混凝土成分基本相同,密度接近，密度接近，相容性和分散性好于其他增强纤维，可用来替相容性和分散性好于其他增强纤维，可用来替代钢筋作混凝土建筑结构的增强材料，提高建代钢筋作混凝土建筑结构的增强材料，提高建筑物强度，延长建筑物的使用寿命。大副度地筑物强度，延长建筑物的使用寿命。大副度地提高建筑质量，增强抗震加固、抗冲性、防火提高建筑质量，增强抗震加固、抗冲性、防火安全性、吸音、消音和保暖节能效果。还能作安全性、吸音、消音和保暖节能效果。还能作为堤坝和灌溉工程的增强材料及港口码头的增为堤坝和灌溉工程的增强材料及港口码头的增强材料。强材料。n消防防弹：玄武岩纤维与其它纤维混纺可消防防弹：玄武岩纤维与其它纤维混纺可制成阻燃面料，用于部队的相关装备显然制成阻燃面料，用于部队的相关装备显然是有明显优势的。同时玄武岩纤维可用作是有明显优势的。同时玄武岩纤维可用作坦克、装甲车、防爆车、防爆毯、炮弹箱、坦克、装甲车、防爆车、防爆毯、炮弹箱、军事工事的坑道门等。军事工事的坑道门等。n交通运输：高速路、港口、机场建设，汽交通运输：高速路、港口、机场建设，汽车货架、车内扶手、公共车行李架、汽车车货架、车内扶手、公共车行李架、汽车制造用输送架、冷藏车结构、隔热壁板、制造用输送架、冷藏车结构、隔热壁板、座椅等座椅等n石油化工：可引发石油天然气管道业的革石油化工：可引发石油天然气管道业的革命。用玄武岩纤维缠绕环氧树脂的复合管命。用玄武岩纤维缠绕环氧树脂的复合管材可用于输送石油、天然气、冷热水、化材可用于输送石油、天然气、冷热水、化学腐蚀液体、散料、电缆管道、低压和高学腐蚀液体、散料、电缆管道、低压和高压钢瓶和出油管等。以石油管道为例，玄压钢瓶和出油管等。以石油管道为例，玄武岩纤维管道连续使用期限为武岩纤维管道连续使用期限为80年。还可年。还可用作压机缓冲垫，冷藏或气体液体槽罐的用作压机缓冲垫，冷藏或气体液体槽罐的隔热材料，高温净化过滤材料。隔热材料，高温净化过滤材料。n电子工业：可制成高质量多层印刷电路板电子工业：可制成高质量多层印刷电路板的覆铜板。也可用作绝缘线皮，变压器模的覆铜板。也可用作绝缘线皮，变压器模与增强部件。可用作风力发电叶片的增强与增强部件。可用作风力发电叶片的增强材料。材料。n体育休闲：利用其优异的抗拉强度，钓鱼体育休闲：利用其优异的抗拉强度，钓鱼杆、曲棍棒、天线、滑雪板、雨伞柄、撑杆、曲棍棒、天线、滑雪板、雨伞柄、撑杆、弓箭和驽弓、运动场坐凳。杆、弓箭和驽弓、运动场坐凳。n医学领域：用作高温过滤材料医学领域：用作高温过滤材料,有利于抗生有利于抗生素生产过程中空气净化和消毒。素生产过程中空气净化和消毒。三维立体织物三维立体织物Light Car电动车，采用玄武岩纤维打造车体，兼具轻巧、稳定等优点，最重要的此先进材质100可完全回收再利用，完全以环境友善为其设计重心。 光导纤维光导纤维光纤装扮的美丽世界光纤装扮的美丽世界光导纤维光导纤维(opticalwaveguidefibre)，简简称光纤，是称光纤，是能够以光信号而非电信号的形式传能够以光信号而非电信号的形式传递信息递信息(光束和图像光束和图像)的具有特殊光学性能的玻的具有特殊光学性能的玻璃或塑料纤维璃或塑料纤维。 按功能可分为传光纤维与传像纤维。按功能可分为传光纤维与传像纤维。按按传输模式可分为多模传输模式可分为多模(multiplemodel，MM)光纤和单模光纤和单模(singlemodel，SM)光纤，多模光纤能够同时传播多种光波模式，光纤，多模光纤能够同时传播多种光波模式，单模光纤只能传输一种光波模式。后者可传输单模光纤只能传输一种光波模式。后者可传输更多的信号。更多的信号。按按光纤的材料成分可分为石英类、多组光纤的材料成分可分为石英类、多组分玻璃类及有机高分子塑料光纤。分玻璃类及有机高分子塑料光纤。光导纤维传递每个发光二极管所发出的光线，光导纤维传递每个发光二极管所发出的光线，分颜色将每一点印在相纸上，从而聚合成一幅分颜色将每一点印在相纸上，从而聚合成一幅完整的影像。此种玻璃导管诞生于完整的影像。此种玻璃导管诞生于20世纪世纪70年年代，其内部核心光纤由高折射率玻璃组成，而代，其内部核心光纤由高折射率玻璃组成，而外层用低折射率的外层用低折射率的玻璃导管包裹，两种物玻璃导管包裹，两种物料之间所产生的反射能料之间所产生的反射能防止光线流失，保证光防止光线流失，保证光线透过核心光纤传送时，线透过核心光纤传送时，光纤末端的光线不会失光纤末端的光线不会失真。真。光纤种类光纤种类材材 料料 成成 分分采采 用用 原原 料料石英光纤石英光纤芯芯线线：SiO2GeO2P2O5包层：包层：SiO2B2O3SiCl4GeCl4POCl3SiCl4BCl3BBr3多多 组组 分分 光光纤纤芯芯 线线 ： SiO2 Na2OCaOGeO2包包 层层 ： SiO2 Na2OCaOB2O5：SiCl4 NaNO3 Ca(NO3)2 Ge(C4H9O)4SiCl4 NaNO3 Ca(NO3)2BCl3石英芯线石英芯线塑塑 料料 包包 层层光纤光纤芯线；芯线；SiO2包层：有机硅包层：有机硅SiCl4二甲基二氯硅烷二甲基二氯硅烷 塑料光纤塑料光纤芯线：芯线：PMMA包层：氯化包层：氯化MAP聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯氟化甲酯氟化甲酯光纤的种类与材料光纤的种类与材料n20世纪世纪60年代。年代。1962年第一只半导体激光年第一只半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。n1966年英籍华人科学家高锟与年英籍华人科学家高锟与Hockham提提出用玻璃可以制成衰减为出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信的通信光导纤维，光导纤维，1970年美国康宁公司首先制出年美国康宁公司首先制出了了20dB/km的的光纤，这标志着光纤通信系光纤，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。统的实际研究条件得以具备。光纤通信的发展历史光纤通信的发展历史n20世纪世纪70年代。年代。1970年发明了年发明了LD的双异质结的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了构，使得光源与光检测器的寿命都达到了10万小时的实用化水平。万小时的实用化水平。1979年发现了光纤年发现了光纤1310nm和和1550nm新的低损耗窗口，紧接着新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到0.5dB/km。这使得光纤通信迈进了这使得光纤通信迈进了实用化阶实用化阶段段，从，从80年代初开始光纤通信便大步地迈向年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。了市场。n20世纪世纪90年代初。年代初。1989年掺铒光纤放大器年掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。的开始。EDFA的应用不仅解决了光纤传的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。术的实用化。 对通信对通信石英光纤的要求石英光纤的要求作为光通信的光导纤维应具有三个特性作为光通信的光导纤维应具有三个特性(1)传传输输衰衰耗耗小小：常常以以每每公公里里损损失失的的分分贝贝数数(dB/km)表示表示(2)传输频带宽：现多用单模光纤传输频带宽：现多用单模光纤(3)机机械械性性能能好好：为为保保护护光光纤纤拉拉丝丝后后的的强强度度，光光纤纤拉拉出出后后，必必须须立立即即被被覆覆一一层层或或二二层层保保护性的涂膜，以提高使用寿命。护性的涂膜，以提高使用寿命。n制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯净、成分均匀。一般无水石英（净、成分均匀。一般无水石英（SiO2）是常）是常用的光导纤维材料。用的光导纤维材料。n光导纤维的用途：近年来，光导纤维光导纤维的用途：近年来，光导纤维用于光通信的技术迅速发展。此外，在农用于光通信的技术迅速发展。此外，在农业、国防、医疗、电视、传真、电话、科业、国防、医疗、电视、传真、电话、科研等方面都有广泛的用途。研等方面都有广泛的用途。光导纤维的制备光导纤维的制备 石英光纤制备必须严格控制：石英光纤制备必须严格控制：杂杂质质的的含含量量：尤尤其其是是金金属属离离子子和和羟羟基基离离子子。二二者者的的存存在在会会引引起起传传输输衰衰耗耗大大辐辐度度地地上上升升。金金属属离子应在离子应在10-9级范围，羟基离子一般为级范围，羟基离子一般为10-4 10-7光光纤纤的的尺尺寸寸和和形形状状：纤纤芯芯直直径径的的波波动动会会产产生生大大的的传传输输衰衰耗耗甚甚至至不不能能使使用用，形形状状对对称称性性的的改改变变会严重影响光纤之间的连接。会严重影响光纤之间的连接。化化学学组组成成：组组成成的的微微小小变变化化，会会影影响响纤纤芯芯的的折射率，增加传输衰耗。折射率，增加传输衰耗。 光光纤纤的的制制备备工工艺艺：最最常常用用的的是是MCVD(modifiedchemicalvapordeposition，改改进进的的化化学学气气相相沉沉积积法法)预制棒的制造预制棒的制造主主反反应应：在在“玻玻璃璃车车床床”上上用用超超纯纯的的SiCl4与与O2和和H2在在1400 1600下反应下反应SiCl4(g)+O2(g)+2H2(g)=SiO2(g)+4HCl(g)掺杂反应：生成掺杂反应：生成GeO2、P205、B203等等4POCl3+3O2=2P2O5+6C12MCVD法的评价法的评价制制造造光光纤纤预预制制棒棒的的常常用用方方法法。能能制制备备优优质质的的光纤预制棒。光纤预制棒。不不足足:原原料料昂昂贵贵(特特别别是是纯纯化化各各原原料料的的费费用用高高昂，技术要求高昂，技术要求高)，光纤维化学组成受到限。，光纤维化学组成受到限。其它技术：全合成其它技术：全合成(富通公司富通公司)。光纤的拉制光纤的拉制石墨炉预制棒石墨炉预制棒裸光纤裸光纤涂覆杯涂覆杯UV灯灯保护气体保护气体 光纤的结构光纤的结构着色层着色层芯层芯层5 m包层包层125 m内涂层内涂层外涂层外涂层 光纤带的结构光纤带的结构 光缆的结构光缆的结构束管式纤膏加强芯缆膏固架式光纤带光纤的应用光纤的应用n信息传输信息传输n光纤传感器光纤传感器n医学医学n装饰品装饰品光缆光缆光放大器光放大器光光缆缆HeadofTJPUMOE光纤通信特点光纤通信特点n频带宽，通信容量大：理论上讲一根单模光频带宽，通信容量大：理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达纤可利用的带宽达20THz(1THz=1012Hz)以以上，最先进的光纤通信系统达上，最先进的光纤通信系统达400GHz,而一而一路电话带宽约占路电话带宽约占4KHz频带，一路彩色电视约频带，一路彩色电视约占占6MHz频带。频带。n损耗低，中继距离长：损耗低，中继距离长：铜缆的损耗特性与缆铜缆的损耗特性与缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关，光缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关，光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度或者说透明度)有关，高质量望远镜的镜头其损耗超过有关，高质量望远镜的镜头其损耗超过500dB/km，目前通信用光纤的最低损耗达，目前通信用光纤的最低损耗达0.2dB/km。n具有抗电磁干扰能力：光导纤维是绝缘体具有抗电磁干扰能力：光导纤维是绝缘体材料，不受输电线、电气化铁路及高压设材料，不受输电线、电气化铁路及高压设备等电器干扰，可以与高压电线平行架设，备等电器干扰，可以与高压电线平行架设，还可制成复合光缆还可制成复合光缆n无串话，保密性好：通信质量高无串话，保密性好：通信质量高n线径细，重量轻，柔软：可制成大芯数高线径细，重量轻，柔软：可制成大芯数高密度光缆；单芯光缆可安装在飞机密度光缆；单芯光缆可安装在飞机,火箭，火箭，潜艇及航天飞机上潜艇及航天飞机上n节约有色金属，原料资源丰富：节约有色金属，原料资源丰富：可节约大可节约大量铜金属量铜金属n质量轻，耐腐蚀，成本低：质量轻，耐腐蚀，成本低：27g/Km，约，约1万万/Km。光纤传感技术光纤传感技术光纤传感技术代表了新一代传感器的发展光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器产业已被国内外公认为最具趋势。光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一，以技术含量有发展前途的高新技术产业之一，以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。特点为世人所瞩目。利用光纤技术和有关光学原理，将被测量利用光纤技术和有关光学原理，将被测量转换成可用输出信号的器件或装置称为光纤传转换成可用输出信号的器件或装置称为光纤传感器。光纤传感器基本上由光源、光学敏感元感器。光纤传感器基本上由光源、光学敏感元件、光导纤维、光检测器和信号处理系统等部件、光导纤维、光检测器和信号处理系统等部分组成。分组成。 光纤传感器的分类方法很多，以光纤在系统光纤传感器的分类方法很多，以光纤在系统中的作用，可分为功能型光纤传感器中的作用，可分为功能型光纤传感器( (传感型传感型) )和非功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器( (传光型传光型) )。功能型是以。功能型是以光纤本身作为敏感元件，光纤的某些光学特性光纤本身作为敏感元件，光纤的某些光学特性（如光的强度、相位、偏振和频率等）被外界（如光的强度、相位、偏振和频率等）被外界物理量所调制来实现测量。非功能型利用其他物理量所调制来实现测量。非功能型利用其他敏感元件感受被测量，光纤仅作为传播介质。敏感元件感受被测量，光纤仅作为传播介质。 基本工作原理：将光源经光纤送入调制区，基本工作原理：将光源经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的性质如光的温度、波长相互作用，使光的性质如光的温度、波长( (颜色颜色) )、频率、相位或偏振态发生变化，成为被调制、频率、相位或偏振态发生变化，成为被调制的信号光，再经光纤送入探测器，经解调而获的信号光，再经光纤送入探测器，经解调而获得被测参数。得被测参数。 光纤传感优点：光纤传感优点：灵灵敏敏度度较较高高；几几何何形形状状具具有有多多方方面面的的适适应应性性，可可以以制制成成任任意意形形状状的的光光纤纤传传感感器器；可可以以制制造造传传感感各各种种不不同同物物理理信信息息（声声、磁磁、温温度度、旋旋转转等等）的的器器件件；可可以以用用于于高高压压、电电气气噪噪声声、高高温温、腐腐蚀蚀、或或其其它它的的恶恶劣劣环环境境；而而且且具具有有与光纤遥测技术的内在相容性。与光纤遥测技术的内在相容性。应应用用：磁磁、声声、压压力力、温温度度、加加速速度度、陀陀螺螺、位位移移、液液面面、转转矩矩、光光声声、电电流流和和应应变变等等物物理量的测量。理量的测量。n军事方面，研发主要包括：水下探测的光军事方面，研发主要包括：水下探测的光纤传感器、航空监测的光纤传感器、光纤纤传感器、航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、核辐射检测的光纤传感器等。陀螺、核辐射检测的光纤传感器等。n民用方面：监测电力系统的电流、电压、民用方面：监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。毒等。医学应用：内窥镜医学应用：内窥镜用用光导纤维做手光导纤维做手术，不用开刀术，不用开刀