低维材料(二)课件.ppt

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1完整版课件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2完整版课件晶须晶须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3完整版课件英文名称：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4完整版课件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5完整版课件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6完整版课件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7完整版课件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8完整版课件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,比硼纤维有更比硼纤维有更好的韧性。

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9完整版课件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10完整版课件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11完整版课件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12完整版课件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13完整版课件晶须的气晶须的气-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)又称为位错又称为位错机制，是通过气机制，是通过气-固反应形核并长成晶须的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制是一种经常采用的晶须生长机制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14完整版课件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15完整版课件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16完整版课件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-凝胶法凝胶法铝硅干凝胶，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17完整版课件晶须的气晶须的气-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18完整版课件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19完整版课件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。