人工晶體材料的發(fā)展與應(yīng)用

材料是人類(lèi)社會(huì)生存和進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是世界文明可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。材料的品種、產(chǎn)量和質(zhì)量標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代化水平和科技水平。隨著社會(huì)的進(jìn)步和一些新技術(shù)領(lǐng)域的興起,材料在現(xiàn)代技術(shù)中已占有愈來(lái)愈重要的地位,甚至在某些工程技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展中,材料已成為制約其迅速發(fā)展的瓶頸,急待研究解決。人工晶體是一類(lèi)用途廣泛的多功能新型材料,也是國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)功能材料之一。所謂晶須是指完整的一維單晶纖維材料,由于其晶體結(jié)構(gòu)比較完整,內(nèi)部缺陷較少,機(jī)械強(qiáng)度近似等于原子價(jià)鍵力的理論強(qiáng)度,又由于其長(zhǎng)徑比大,與粒狀填料相比不僅強(qiáng)度高,而且還可改進(jìn)制品的加工工藝性能和制品的表面光潔度,是一種力學(xué)性能十分優(yōu)異的新型復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)增韌劑。近年來(lái),國(guó)外無(wú)機(jī)材料的發(fā)展促進(jìn)了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)今無(wú)機(jī)晶須材料是引人注目的新型材料,如碳晶須,碳化硅、鈦酸鉀、硼酸鎂和硼酸鋁晶須等。硼酸鋁晶須(9Al2O3·2B2O3)屬于氧化物型晶須,具有耐高溫、耐酸堿、抗化學(xué)腐蝕、熱絕緣和電絕緣等的極好性能,可用作鋁基合金和特種工程塑料的添加劑增強(qiáng),它對(duì)熱塑樹(shù)脂、熱凝樹(shù)脂、水泥、陶瓷或合金有增強(qiáng)作用,用它形成的復(fù)合材料能提高原有抗壓能力、抗拉能力,增強(qiáng)粘結(jié)能力和抗腐性,已在多方面展開(kāi)了應(yīng)用研究,如高溫過(guò)濾器、馬達(dá)軸承、滑動(dòng)部件、航空航天器部件、新型陶瓷和生物材料等方面。如鋁合金是一種輕金屬合金,有鋰-鋁、鋁-鈦和鋁-鎂合金等,它們是航空航天工業(yè)的重要而不可或缺的材料,但由于該類(lèi)合金硬度差,耐磨性能和抗氧化性能較弱的原因,其作為航空航天部件并不甚理想。若以硼酸鋁晶須作為鋁合金添加劑而形成一種新的復(fù)合材料,則可增加合金的耐熱性,抗氧化性和耐磨性能也有明顯的改善。由于硼酸鋁晶須本身就是一種輕質(zhì)陶瓷,具耐化學(xué)腐蝕性,為微粒級(jí)細(xì)晶,因此其也可制成高溫金屬熔體的微孔過(guò)濾砂芯材料。在特定條件下生成的硼酸鋁化合物是一種長(zhǎng)徑比大的晶須材料,由于其結(jié)構(gòu)特征和性質(zhì),具有高于鈦酸鉀的彈性率和強(qiáng)度。可以認(rèn)為硼酸鋁(9Al2O3·2B2O3)晶須是屬高新技術(shù)的通用材料,可作添加增強(qiáng)改性劑,它本身具有許多優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)外對(duì)它的應(yīng)用研究之廣泛超過(guò)了其它硼酸鹽、鈦酸鹽、氮化硼等無(wú)機(jī)材料,已成為無(wú)機(jī)材料研制的新熱點(diǎn)。近年來(lái),中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所的有關(guān)科研人員對(duì)硼酸鋁晶須的合成條件、制備工藝等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,取得了突破性的進(jìn)展。本文在以上工作的基礎(chǔ)上,對(duì)經(jīng)高溫合成反應(yīng)及浸溶后得到的含雜硼酸鋁晶須粗品的分離精制方法及工藝條件進(jìn)行了研究,最終得到符合質(zhì)量要求的硼酸鋁晶須產(chǎn)品。1酸鈉鋁晶須粗品的合成以無(wú)水明礬細(xì)粉和硼酸為原料,以K2SO4作為助熔劑,按一定比例混勻,在1150°C的熔鹽中生成9Al2O3·2B2O3晶須,經(jīng)浸溶及過(guò)濾,分離出硫酸鉀及其它水溶性雜質(zhì),得到硼酸鋁晶須粗品(以下簡(jiǎn)稱(chēng)晶須粗品)。以該晶須粗品為試驗(yàn)用樣品,顯微鏡下(10×10×)觀(guān)察其晶形分布情況為:長(zhǎng)度為60～80μm的針狀晶須約25%,長(zhǎng)度為50μm及以下的針狀晶須超過(guò)70%,大顆粒的晶須粘連體及小顆粒的硼酸鋁和未反應(yīng)的氧化鋁也占有相當(dāng)比例,必須經(jīng)過(guò)再次分離精制才能得到符合質(zhì)量要求(表1)的硼酸鋁晶須產(chǎn)品。1.1懸浮液面沉降速度測(cè)定取一定量的晶須粗品置于200mL蒸餾水中,經(jīng)充分?jǐn)嚢璺稚⒑?傾入500mL量筒,加入一定量的水,記錄其懸浮液面在不同時(shí)間的下降高度,并計(jì)算其沉降速度,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。當(dāng)固液比為6.25%時(shí),其平均沉降速度為0.84cm/min,當(dāng)固液比為5%時(shí)其平均沉降速度為1.23cm/min。這表明,由于該晶須為微細(xì)針狀物,其吸附活性大,固液比越大顆粒間相互吸附作用對(duì)沉降的干擾也越大,在一定范圍內(nèi)固液比越小沉降速度越快。1.2粒度分布實(shí)驗(yàn)取一定量晶須粗品,經(jīng)充分?jǐn)嚢璺稚⒑?用TGZ-2型自動(dòng)記錄粒度分析儀進(jìn)行粒度分析實(shí)驗(yàn),平行測(cè)定三次,得到晶須粗品的粒度分布率(表2)。并對(duì)測(cè)試終止時(shí)的未沉降物進(jìn)行取樣,由顯微鏡觀(guān)察為<0.1μm的短晶須。2沉降分離柱的設(shè)計(jì)粗品晶須中含有的各種顆粒主要有晶須粘連體、長(zhǎng)度不同的晶須及未反應(yīng)的氧化鋁晶體。分散狀晶須的密度為2.98g/cm3,α-Al2O3密度為3.97g/cm3,γ-Al2O3的密度為3.5～3.9g/cm3。其顆粒大小和密度的差異導(dǎo)致其重力沉降速度有差異,據(jù)此可采用沉降分離的方式將不同的顆粒進(jìn)行分級(jí),制得不含粘連體和Al2O3晶體的硼酸鋁晶須產(chǎn)品。根據(jù)現(xiàn)有材料及加工條件,設(shè)計(jì)加工了一個(gè)直徑為8cm的沉降分離柱(圖2),其側(cè)面設(shè)有14個(gè)不同高度的出料口,以便于測(cè)取不同高度的沉降分離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);其內(nèi)降液管高度是可調(diào)的,以便于測(cè)取適宜內(nèi)降液管高度數(shù)據(jù)。該沉降分離柱的沉降面積為50.266cm2。按照設(shè)定的晶須粗品與水的固液比,稱(chēng)取一定量晶須粗品,量取定量蒸餾水,于混料給料攪拌桶中經(jīng)攪拌分散后,將料漿送入沉降分離柱中進(jìn)行沉降分離,使晶須單晶由側(cè)開(kāi)溢流口流出,晶須粘連體及未反應(yīng)的Al2O3晶體沉于柱底,每間隔一定時(shí)間排出底料。料漿送入沉降分離柱的方式有兩種:1)用泵泵入(CSB-氟塑料磁力泵,轉(zhuǎn)速2800r/min,揚(yáng)程3m,流量1m3/h,功率180W);2)采用高位槽,利用位差將料漿送入。2.1最佳分離精制條件的確定將設(shè)備安裝調(diào)試完畢后,在已進(jìn)行過(guò)探索試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇7#、9#及12#出口作為出料口,分別進(jìn)行了不同固液比(2.5%,1.98%)、不同內(nèi)降液管高度(21.5cm,33cm)及懸浮液在柱內(nèi)流速不同對(duì)分離精制效果的影響,結(jié)果列于表3中,S-3至S-13采用泵送入的方式,S-14至S-22采用高位槽進(jìn)料方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在分離精制過(guò)程中要得到符合要求的全分散狀晶須,最重要的影響因素是內(nèi)降液管高度及柱內(nèi)懸浮液的流速。由實(shí)驗(yàn)得到的最佳分離精制條件為:內(nèi)降液管高度33cm(內(nèi)降液管口至柱底間距);當(dāng)出料口高度為97cm時(shí),柱內(nèi)懸浮液流速≯0.087cm/s,當(dāng)出料口高度為129cm時(shí),柱內(nèi)懸浮液流速≯0.13cm/s。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由于離心泵的高速旋轉(zhuǎn)對(duì)晶須有明顯的折斷作用,宜采用高位槽方式將料漿送入沉降分離柱。顯微鏡下觀(guān)察得到的沉降分離溢流料及底料照片見(jiàn)圖3。2.2晶須樣品分離為了考察設(shè)計(jì)工藝及設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性,同時(shí)將已制得的硼酸鋁晶須粗品進(jìn)一步精制分級(jí),以期得到一定量的優(yōu)級(jí)晶須樣品,按照已確定的最佳分離條件,即內(nèi)降液管高度33cm,出料口高度97cm,柱內(nèi)懸浮液流速0.13cm/s,用該設(shè)備進(jìn)行連續(xù)操作。共處理晶須粗品約3000g,得到晶須產(chǎn)品1800g,該產(chǎn)品經(jīng)X-ray衍射(圖4)及電鏡(圖5)鑒定為針狀9Al2O3·2B2O3晶須,其性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)試用效果良好。2.3用于分離底層材料的提取晶須粗品經(jīng)分離精制操作后,其底料排入容器中沉清并進(jìn)行固液分離,得到濕濾餅留待處理回收。2.3.1硫酸濃度對(duì)底料濕濾餅過(guò)濾率的影響根據(jù)硼酸鋁晶須合成工藝的特點(diǎn),選用硫酸對(duì)底料進(jìn)行處理。各取50g底料濕濾餅,分別用濃度為0.5mol/L、1mol/L、2mol/L的硫酸100ml,在50°C下攪拌60min,結(jié)果(表4)表明,采用濃度為1mol/L硫酸處理較宜,能使處理后的底料料況得到改善。2.3.2固液分離后干成液固液制備將底料濕濾餅加入適量1mol/L硫酸,于50°C溫度下攪拌1.5h,固液分離后用水洗至無(wú)SO42-。在攪拌桶中與水混合形成懸浮液,再次進(jìn)入沉降分離柱進(jìn)行分級(jí)分離,溢流料經(jīng)沉清、固液分離后干燥作為晶須二級(jí)品,最終底料經(jīng)沉清、固液分離干燥后作為晶須三級(jí)品。3晶須懸浮液的輸送1)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí),設(shè)計(jì)的工藝流程及設(shè)備是可行的,能夠得到不含雜質(zhì)的全分散狀硼酸鋁晶須產(chǎn)品。得到了晶須粗品沉降分離精制的適宜工藝條件及操作參數(shù)。2)晶須懸浮液的輸送不宜采用高速清水型離心泵,在實(shí)際生產(chǎn)中可選用不銹鋼耐腐蝕泥漿