2.2　晶須

晶須已有很久的歷史，但是推測(cè)出晶須為接近單晶結(jié)構(gòu)，而且具有非常高的強(qiáng)度與彈性模量，從而可用于復(fù)合材料，還是最近幾十年的事情。

隨著復(fù)合材料的發(fā)展，特別是對(duì)短纖維強(qiáng)化樹(shù)脂以及金屬基復(fù)合材料需求的增多，人類(lèi)迎來(lái)了一個(gè)迄今為止非常貴重的材料——晶須應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的時(shí)代。

1975年前后，美國(guó)、日本兩國(guó)分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)用稻殼制造碳化硅晶須（SiC_w）能夠大大降低成本并適于批量生產(chǎn)（在此之前SiC_w的價(jià)格為50美元/g）。為將該廉價(jià)的晶須用于工業(yè)生產(chǎn)，美國(guó)、日本兩國(guó)都做了計(jì)劃，然而受到制造與實(shí)用操作環(huán)境等實(shí)際困難的影響，致使進(jìn)展不甚迅速。例如，將該類(lèi)晶須用于鋁合金，可使其彈性模量提高數(shù)倍，但采用熔融鍛造法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，已經(jīng)經(jīng)歷了十幾年。另外，SiC_w對(duì)于陶瓷的高韌化來(lái)說(shuō)未必能夠滿(mǎn)足，再加上環(huán)境問(wèn)題等，該類(lèi)晶須與幾乎在同一時(shí)期開(kāi)發(fā)的氮化硅晶須（Si₃N_4w）以及碳纖維（CF）等相比，其發(fā)展速度并不算快。

但是上述發(fā)展引起了材料科學(xué)工作者對(duì)晶須的關(guān)注，促進(jìn)了晶須在工業(yè)實(shí)用化方面（雖然不是高溫）的發(fā)展。不可否認(rèn)，這些研究與開(kāi)發(fā)又促進(jìn)了SiC_w研究水平的提高。

2.2.1　SiC_w、Si₃N_4w

由于碳纖維（CF）在500℃以上能與Al發(fā)生反應(yīng)生成碳化物，這意味著從工業(yè)意義上講，CF與Al的復(fù)合化是十分困難的，研究者以此為契機(jī)開(kāi)發(fā)了SiC_w。從成型工藝上講，長(zhǎng)纖維對(duì)金屬等的復(fù)合化未必合適，而作為短纖維的晶須從形狀上講是合適的。用CVD法制備晶須不適于量產(chǎn)，所以很難成為工業(yè)材料。然而從廉價(jià)且原料豐富的SiC_w和C出發(fā)，用氣相法制得SiC_w從原理上講可用單純的工藝完成。日本東海碳公司于20世紀(jì)80年代中期開(kāi)發(fā)出了世界上最初的SiC纖維，隨后的10年間實(shí)現(xiàn)了其在復(fù)合材料中的應(yīng)用，開(kāi)始了所謂的“晶須時(shí)代”。SiC_w的具有代表性的特性如表2.7所示。

2.2.2　鈦酸鉀晶須

鈦酸鉀晶須（KT_w）是以K₂O·nTiO₂為一般式的人工礦物的總稱(chēng)，其結(jié)構(gòu)和性能隨n的值不同而不同，n通常取2、4、6，可以用燒成法、熔融法、溶劑法等合成。在晶須的制備方法中，常用共晶定向凝固法。由于其具有極端的堿性，所以在制備過(guò)程中存在容器的選定、凝集體的去除、助溶劑（Mo、W化合物）的回收等問(wèn)題。

各廠家所制造的KT_w的性能如表2.8所示，具有代表性的性能如表2.9所示，其用途如圖2.9所示。

2.2.3　硼酸鋁晶須

硼酸鋁晶須（AlB_w）的強(qiáng)度與彈性模量都超過(guò)KT_w，其彈性模量可與SiC_w相媲美。硼酸鋁晶須的制造方法不像SiC_w那樣采用惰性氣體氣相法，而是使用像KT_w那樣廉價(jià)的助溶劑法，即在1000℃以上，向Al₂O₃與B₂O₃的原材料中添加堿金屬的氯化物、硫酸鹽或碳酸鹽等不參與反應(yīng)的助溶劑。在1000～1200℃加熱可生成具有9Al₂O₃·2B₂O₃成分的晶須。如果加熱溫度為800～1000℃，則得到成分為2Al₂O₃·3B₂O₃的晶須。其性能如表2.10所示。

2.2.4　氧化鋅晶須

日本松下電器產(chǎn)業(yè)公司所開(kāi)發(fā)的氧化鋅晶須（ZnO_w）是以充分利用制造電容器時(shí)所產(chǎn)生的大量鋅粉為起點(diǎn)。與其他晶須的形狀不同，呈四腳狀，如圖2.10所示。雖然尺寸微小的四腳狀物質(zhì)在1941年就有發(fā)現(xiàn)，但像ZnO_w這樣大的尺寸，卻是在20世紀(jì)90年代初才開(kāi)發(fā)出來(lái)的，其代表性的特性如表2.11所示。

此類(lèi)大型四腳狀晶須的主要用途見(jiàn)表2.12。由于它具有優(yōu)異的振動(dòng)吸收性，在開(kāi)發(fā)特殊擴(kuò)音器的振動(dòng)板方面受到關(guān)注。此外，它還可以用于原子力顯微鏡的探針，能夠清楚地觀察到物質(zhì)的數(shù)納米凸凹。

2.2.5　石墨晶須

1960年，Bacon利用石墨電極直流放電在3900K、90atm¹下最初制得了石墨晶須。其抗拉強(qiáng)度達(dá)20GPa，彈性模量達(dá)700GPa，為人造石墨的研究提供了有用的基礎(chǔ)。

工業(yè)上常采用的制備石墨晶須的方法是氣相生長(zhǎng)法，從原材料的供給到纖維生成的工藝都是連續(xù)的。石墨纖維與陶瓷纖維的性能比較如表2.13所示。從表可知，石墨纖維具有低密度、低硬度、高熱（電）導(dǎo)率等特征。