新型鎂質(zhì)功能材料

1、第四組 劉夢(mèng)龍鐵子岳張成凱張少飛高志偉新型鎂質(zhì)功能材料 -硼酸鎂晶須研究背景和意義 鎂元素在地殼中分布較廣，在自然界只以化合物形態(tài)存在。在可利用的鎂質(zhì)資源中，以菱鎂礦、白云石礦等礦物和海水、鹽湖水中鎂鹽最具利用價(jià)值，我國(guó)菱鎂礦資源約占世界儲(chǔ)量的28%。雖然我國(guó)鎂質(zhì)資源豐富,但在開(kāi)發(fā)利用方面主要存在以下幾方面的問(wèn)題：一、精深加工產(chǎn)品比例小，產(chǎn)品技術(shù)含量低、質(zhì)量差，經(jīng)濟(jì)效益低下。二、鎂質(zhì)產(chǎn)品的品種和規(guī)格單一，企業(yè)抵御市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的能力薄弱。三、缺乏專業(yè)技術(shù)人才，新產(chǎn)品、新技術(shù)開(kāi)發(fā)能力不足。四、環(huán)保和耗能問(wèn)題亟待解決。 因此,加強(qiáng)鎂質(zhì)功能材料的生產(chǎn)制備研究,開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新工藝、新產(chǎn)品、新技術(shù)是

2、關(guān)乎我國(guó)整個(gè)鎂質(zhì)材料行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心。研究背景和意義 硼酸鎂晶須主要作為復(fù)合材料增強(qiáng)劑,此外,由于其具有輕質(zhì)、高韌、耐磨、耐腐蝕等特點(diǎn),可作為摩擦材料、過(guò)濾材料、電池隔膜、絕緣以及耐熱材料等。同其它晶須材料相比,硼酸鎂晶須具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)發(fā)展為當(dāng)今復(fù)合材料最具應(yīng)用前景的晶須材料之一,因此合成工藝受到極大關(guān)注。接下來(lái)將對(duì)硼酸鎂晶須的制備工藝進(jìn)行詳細(xì)綜述,并展望其未來(lái)發(fā)展方向。譜圖場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡研究歷史 20世紀(jì)50年代,硼酸鎂晶須作為天然礦物“suanite”在韓國(guó)南部首次發(fā)現(xiàn),研究表明是以單晶晶須團(tuán)塊形式存在; 60年代合成了具有片狀和棱柱結(jié)構(gòu)的硼酸鎂晶體; 70年代合成了具

3、有單晶和三晶結(jié)構(gòu)的硼酸鎂晶體; 80年代,日本四國(guó)工業(yè)技術(shù)研究所合成了具有針狀結(jié)構(gòu)的硼酸鎂晶須,并研究了合成條件對(duì)晶須形貌的影響; 90年代,中日合作開(kāi)發(fā)出以廉價(jià)的海鹽化工產(chǎn)品合成硼酸鎂晶須的工藝; 本世紀(jì)已經(jīng)成功地合成了準(zhǔn)一維納米硼酸鎂晶須如納米棒、納米線等。硼酸鎂晶須的制備方法 高溫固相法 高溫助熔劑法：干法；濕法 水熱-高溫煅燒法 微波固相法 凝膠-高溫煅燒法 氣相沉積法合成硼酸鎂(Mg2B2O5)納米線 高溫固相法合成Mg3B2O6納米帶 紅外輻射加熱法合成Mg3B2O6納米管 溶膠-凝膠法合成MgB4O7和Mg2B2O5納米棒硼酸鎂晶須的制備方法1.高溫助熔劑法高溫助熔劑法 高溫助熔

4、劑法是以氯化鎂和硼酸或氧化鎂和硼酸為原料,加入助溶劑在高溫條件下焙燒制得。反應(yīng)物混在助溶劑中,隨著溫度的升高,反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硼酸鎂小顆粒,小顆粒在已熔融助溶劑中不斷增長(zhǎng),成為細(xì)長(zhǎng)完美的晶體。 常用的助溶劑有氯化鉀、氯化鈉、氯化鈣、硫酸鉀,四者對(duì)晶須的質(zhì)量都沒(méi)有影響,只是影響其外觀。從成本考慮,選用氯化鈉最合適。 合成溫度一般在850左右(8041 069之間),且升溫不宜過(guò)快,焙燒時(shí)間在7 h左右，n(Mg) n(B)=1 11 4、助溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%95%、焙燒溫度為6001 000時(shí),可制得直徑為100m的硼酸鎂晶須。硼酸鎂晶須的制備方法 硼酸鎂晶須制備工藝見(jiàn)下圖。高溫固相合成

5、法具有原料易得、成本低廉、技術(shù)成熟、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn),適宜工業(yè)化生產(chǎn)。譜圖場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡硼酸鎂晶須的制備方法 2.微波固相合成法 微波固相合成法是以氯化鎂和硼砂為原料,以氧化鋅為加熱介質(zhì),在微波輻射作用下使兩固相發(fā)生反應(yīng)制備硼酸鎂晶須。該方法的最大特點(diǎn)是反應(yīng)速度快、合成時(shí)間短(只需20min)。其原因主要有兩個(gè): 在微波場(chǎng)的作用下,反應(yīng)物受到微震蕩和微攪拌作用,使反應(yīng)物分子之間的碰撞頻率急劇增加,促使反應(yīng)加快; 加熱介質(zhì)的存在使反應(yīng)體系在升溫過(guò)程中對(duì)微波的吸收有了變化,也就是反應(yīng)物由原來(lái)不吸收微波變成部分吸收微波,因而使體系反應(yīng)加快。但此法需要但此法需要大量能耗大量能耗,不適用于工業(yè)生

6、產(chǎn)。不適用于工業(yè)生產(chǎn)。硼酸鎂晶須性能指標(biāo)硼酸鎂晶須的應(yīng)用 （1）在金屬?gòu)?fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用。硼酸鎂晶須能使鋁、鎂基復(fù)合材料力學(xué)性能提高,而且未發(fā)現(xiàn)像硼酸鋁晶須、鈦酸鉀晶須等增強(qiáng)時(shí)所產(chǎn)生的界面反應(yīng)現(xiàn)象。此外硼酸鎂晶須還具有輕質(zhì)、高韌、耐磨、耐熱、耐腐蝕等特性,人們將其應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、壓縮機(jī)氣缸等耐熱耐磨部件中。 （2）在塑料復(fù)合材料中的應(yīng)用。硼酸鎂晶須增強(qiáng)的復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐磨及滑動(dòng)性能,可做汽車的剎車片和離合器的襯片。和其它晶須一樣,填充硼酸鎂晶須的塑料成型流動(dòng)性好,接近于填充的樹脂,晶須可達(dá)到精細(xì)部件的任意角落,并且表面平潔光滑,成型精度高,部件尺寸穩(wěn)定性強(qiáng),其增強(qiáng)材料可作為滑輪

7、、凸輪、軸承、拉鎖等,也可制成體育運(yùn)動(dòng)用品。硼酸鎂晶須的應(yīng)用 （3）在陶瓷基復(fù)合材料中也得到廣泛應(yīng)用。硼酸鎂晶須用于增強(qiáng)陶瓷和玻璃可提高材料的沖擊強(qiáng)度、彈性模量、硬度和壓伸強(qiáng)度等。到目前為止,晶須增韌的陶瓷材料已成功地應(yīng)用在切削刀具、耐磨件、宇航及軍用零件上。 （4）在高分子材料中的應(yīng)用。硼酸鎂晶須能促使高分子材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能變高硼酸鎂晶須制備工藝發(fā)展趨勢(shì) 硼酸鎂晶須作為重要增強(qiáng)材料越來(lái)越多的受到人們的關(guān)注,經(jīng)過(guò)近60年的發(fā)展,其制備工藝的研究已經(jīng)取得了重大突破和進(jìn)展,由于硼具有較短的共價(jià)鍵,sp2雜化軌道,三中心缺電子結(jié)構(gòu),接近金剛石的硬度等,加之鎂資源豐富,因此,硼酸鎂晶須仍是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前,硼酸鎂晶須的主要合成工藝為高溫助熔劑濕法合成,此工藝合成的晶須纖維化顯著,作為復(fù)合材料增強(qiáng)劑效果明顯,同其它工藝相比成本較低,但是應(yīng)用此工藝合成晶須的過(guò)程副產(chǎn)鹽酸對(duì)設(shè)備產(chǎn)生腐蝕,部分關(guān)鍵技術(shù)尚需進(jìn)一步研究。硼酸鎂晶須制備工藝發(fā)展趨勢(shì) 至于