粉體材料有許多形態(tài)，塊狀、球形、單晶棒狀、片狀、纖維狀、晶須狀或者無(wú)規(guī)則狀——不同的形態(tài)下，即使是同一種材料表現(xiàn)在性能上的優(yōu)勢(shì)也各有不同。其中，晶須是指以單晶形式生長(zhǎng)的形態(tài)類(lèi)似于纖維或者針狀物，尺寸遠(yuǎn)小于短纖維的須狀單晶體。

碳化硅晶須

由于晶須在結(jié)晶時(shí)原子結(jié)構(gòu)排列高度有序，故不存在能夠削弱晶體的較大缺陷（例如：空洞、位錯(cuò)、結(jié)構(gòu)不完整等晶體缺陷），其強(qiáng)度與完美晶體的理論強(qiáng)度相接近，因此晶須材料往往具有優(yōu)異的耐高溫、耐高熱、耐腐蝕、電絕緣等性能，同時(shí)還具有極高的機(jī)械性能，如高強(qiáng)度、高彈性模量、高硬度，可廣泛用作金屬基、陶瓷基、聚合物基的改性增強(qiáng)材料。

一、無(wú)機(jī)晶須的制備方法

由于“晶須”這種形態(tài)在自然界中比較少見(jiàn)，因此一般都需要在人工控制的條件下以單晶形式生長(zhǎng)而成。目前經(jīng)過(guò)科學(xué)家的不懈努力，已有超過(guò)百種晶須材料被研發(fā)成功，包括金屬單質(zhì)、各種氧化物、氫氧化物、碳化物、氮化物、鹵化物、硫酸鹽等。

1.氣相法

氣相法制備無(wú)機(jī)晶須，根據(jù)原材料的氣化方式可分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積。物理氣相沉積是一種重要的材料制備技術(shù)方法，是指在真空條件下，采用物理方法，將材料源表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，然后將氣相原料引入到低溫生長(zhǎng)區(qū)，在低溫區(qū)，氣相原料的過(guò)飽和度較低，氣相凝聚形核并生長(zhǎng)成晶須，主要有蒸發(fā)-凝聚法。物理氣相沉積主要用于制備熔點(diǎn)較低的金屬晶須，如Zn、Ge等。化學(xué)氣相沉積是將氣相原料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在溫度較低的區(qū)域生長(zhǎng)成晶須。該方法常用于制備氧化物、氮化物及碳化物等陶瓷晶須的制備。

2.溶液中生長(zhǎng)

溶液中生長(zhǎng)晶須的方法與生長(zhǎng)單晶的方法相似，其過(guò)程均是使溶液中溶質(zhì)達(dá)到過(guò)飽和，從而實(shí)現(xiàn)晶體的生長(zhǎng)，只是晶須的生長(zhǎng)要求在溶液中引入一些助劑促使晶體定向生長(zhǎng)。水熱法是目前溶液法制備無(wú)機(jī)晶須的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它通過(guò)人為制造高溫高壓的溶液環(huán)境，促使原料物質(zhì)溶解，或生成在高溫高壓下可溶解與水中的產(chǎn)物，然后通過(guò)控制高壓反應(yīng)釜內(nèi)的局部溫度，從而在溶液內(nèi)部形成溫差，使溶液對(duì)流形成局部過(guò)飽和狀態(tài)，從而析晶，促使晶體生長(zhǎng)。

水熱法根據(jù)反應(yīng)類(lèi)型的不同可分為水熱氧化還原法（在高溫高壓水溶液中發(fā)生氧化還原反應(yīng)）、水熱沉淀（在高溫高壓水溶液中發(fā)生沉淀反應(yīng)）、水熱水解（在高溫高壓水溶液中，原料物質(zhì)發(fā)生水解）、水熱重結(jié)晶（在高溫高壓水溶液中發(fā)生重結(jié)晶）等。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以制得單分散的單晶晶須，但產(chǎn)量低、設(shè)備及工藝過(guò)程較為復(fù)雜，成本較高。

3.熔體中生長(zhǎng)

熔體中生長(zhǎng)晶須與晶體生長(zhǎng)相同，其目的是使反應(yīng)物料處于熔融狀態(tài)，形成熔體，然后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形核，連續(xù)生長(zhǎng)而制備晶須材料。該方法包括直接熔融法、助熔劑法以及熔鹽法，直接熔融法是將反應(yīng)物料直接加熱到，直至形成熔體，然后析晶；助熔劑法是通過(guò)在體系中引入助熔劑，降低體系熔點(diǎn)，有助于節(jié)約能源；熔鹽法是采用一種或數(shù)種低熔點(diǎn)的鹽類(lèi)作為反應(yīng)介質(zhì)，反應(yīng)物在熔鹽中有一定的溶解度，使得反應(yīng)在原子級(jí)別進(jìn)行。

由于低熔點(diǎn)鹽作為反應(yīng)介質(zhì)，合成過(guò)程中有液相出現(xiàn)，反應(yīng)物在液相中有一定的溶解度，大大加快了離子的擴(kuò)散速率，使反應(yīng)物在液相中實(shí)現(xiàn)原子尺度混合。該方法具有工藝簡(jiǎn)單、合成溫度低、保溫時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是晶須質(zhì)量相較氣相法和溶液法差。

二、晶須材料的分類(lèi)

無(wú)機(jī)晶須分為金屬晶須和非金屬晶須兩大類(lèi)。金屬晶須常見(jiàn)于金屬基復(fù)合材料及貴金屬納米線及納米陣列等一維納米功能材料；非金屬晶須包括氧化物晶須及鹽類(lèi)晶須，主要用于聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)增韌，也有少量具有特殊物理化學(xué)性能的一維納米功能晶須，如ZnO納米線具有特殊的光學(xué)特性。非金屬晶須的強(qiáng)度、彈性模量、耐熱性等性能均優(yōu)于金屬晶須，廣泛用于各種基底復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)增韌，以下是部分常用的非金屬晶須。

晶須增韌陶瓷材料的原理示意圖

1.碳化硅晶須

SiC晶須是一種晶體內(nèi)部缺陷極少，具有一定長(zhǎng)徑比的單晶纖維，它具有相當(dāng)優(yōu)異的抗高溫性能和極高的機(jī)械強(qiáng)度。SiC晶須為立方晶須，和金剛石同屬于一種晶型，是目前所有人工合成的晶須中硬度最大、模量最高、抗拉強(qiáng)度最大、耐熱溫度最高的晶須產(chǎn)品，根據(jù)結(jié)構(gòu)差異有α型及β型兩種形式，β型的性能要優(yōu)于α型。

β型SiC晶須較α型具有更高的硬度（莫氏硬度達(dá)9.5以上），更優(yōu)異的導(dǎo)電性能、耐高溫性能，更高的斷裂韌性，主要用于需要高溫高強(qiáng)應(yīng)用材質(zhì)的增韌場(chǎng)合，如飛機(jī)、導(dǎo)彈的外殼上、發(fā)動(dòng)機(jī)、高溫渦輪轉(zhuǎn)子、特種部件等等，有著極高的性能價(jià)格比。

2.氧化鋁晶須

氧化鋁有許多同質(zhì)異晶體，研究報(bào)道過(guò)的變體有10多種，其中α-Al₂O₃屬三方晶系，結(jié)構(gòu)最緊密，活性低，在所有溫度下穩(wěn)定，而且電學(xué)性質(zhì)最好，具有優(yōu)良的機(jī)電性能，為目前研究最多的晶型。

氧化鋁晶須

因此α-Al₂O₃晶須的熔點(diǎn)高達(dá)2082℃，呈現(xiàn)白色，具有針狀或是纖維狀結(jié)構(gòu)，斷面一般為六角形，具有高強(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)越的力學(xué)性能，高溫條件下具有抗氧化能力。廣泛應(yīng)用于金屬、陶瓷和高分子復(fù)合材料中，主要起到增強(qiáng)增韌作用。

3.碳酸鈣晶須

碳酸鈣晶須的直徑細(xì)小，對(duì)塑料起著微觀增強(qiáng)效果，用其增強(qiáng)的塑料制品表面光潔度高，能用于精密塑料制品的成型碳酸鈣晶須具有強(qiáng)度高、模量高、耐熱與隔熱性好等優(yōu)良特性，是一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的環(huán)保材料。用其增強(qiáng)高分子材料，可將無(wú)機(jī)晶須的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與高分子材料的韌性相結(jié)合，制備出高性能的高分子復(fù)合材料。在涂料中碳酸鈣晶須作為涂料的增粘劑，能顯著提高涂料的黏度，增加觸變性，提高涂料的抗開(kāi)裂、附著力、粘接強(qiáng)度等性能。碳酸鈣晶須用于汽車(chē)制動(dòng)器襯片，可以替代石棉制品。

4.鈦酸鉀晶須

鈦酸鉀晶須是指化學(xué)式為K₂O·nTiO₂的針狀無(wú)機(jī)晶須，隨著n的變化，鈦酸鉀晶須的結(jié)構(gòu)和性能會(huì)發(fā)生變化。鈦酸鉀的制備工藝已經(jīng)較為成熟，目前已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。鈦酸鉀晶須具有良好的絕熱性、耐化學(xué)腐蝕性、耐磨性，具有較低的熱導(dǎo)率和較高的紅外線反射率，可廣泛用于高溫絕熱材料、絕緣材料、催化劑載體、過(guò)濾材料。

以鈦酸鉀晶須、熔融石英、氧化鋁為原料制備的鈦酸鉀晶須增強(qiáng)陶瓷基蜂窩陶瓷構(gòu)件，具有尺寸精密、耐高溫性能良好等特點(diǎn)，可用作汽車(chē)尾氣處理、石油燃燒氣凈化用的觸媒載體。鈦酸鉀晶須增強(qiáng)工程塑料，可用于制備各種聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件，廣泛用于汽車(chē)、艦船及計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。

5.莫來(lái)石晶須

莫來(lái)石具有耐高溫、抗氧化、熱膨脹系數(shù)小、高溫強(qiáng)度高以及抗熱震性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種重要的工程材料。外加莫來(lái)石晶須可以明顯的改善陶瓷的韌性。對(duì)普通陶瓷而言，莫來(lái)石晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，增韌效果最佳，對(duì)于莫來(lái)石陶瓷來(lái)說(shuō)，莫來(lái)石晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，增韌效果最佳。作為一種潛在的陶瓷基、金屬基、聚合物基復(fù)合材料的增強(qiáng)增韌材料，目前莫來(lái)石晶須可廣泛用于高溫結(jié)構(gòu)材料、摩擦材料等領(lǐng)域。

莫來(lái)石晶須

6.氮化硅晶須

與碳化硅晶須相比，氮化硅晶須具有較高的強(qiáng)度，通常其拉伸強(qiáng)度可達(dá)138GPa，是碳化硅晶須的5倍。還具有高彈性模量（390GPa）、低膨脹系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

用氮化硅晶須作為增強(qiáng)體時(shí)，晶須性能及要求因基體的不同而不同，如氮化硅晶須與石英玻璃具有良好的物理相容性，其復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能；氮化硅晶須增韌碳化硅陶瓷中，既保留碳化硅陶瓷優(yōu)良的耐高溫、抗蠕變、抗氧化等性能，乂具有比碳化硅陶瓷更高的強(qiáng)度和韌性；氮化硅晶須增韌氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷及玻璃等其它基體的復(fù)合材料時(shí)，其基體性能都不同程度地得到了改善。

氮化硅晶須

7.氧化鋅晶須

四針狀ZnO晶須是在20世紀(jì)40年代被發(fā)現(xiàn)，并在1989年由日本松下產(chǎn)業(yè)首先研制成功。晶須外觀上呈白色疏松狀粉體，結(jié)構(gòu)為四針狀三維立體結(jié)構(gòu)，晶須有一核心，從核心徑向伸展出四根針狀分枝。由于獨(dú)特的立體三維結(jié)構(gòu)，很容易實(shí)現(xiàn)其在基體材料中均勻分布，加入到金屬、樹(shù)脂、陶瓷等基體材料中形成復(fù)合材料后，可起到骨架作用，使抗拉強(qiáng)度明顯增加；另外它具有優(yōu)秀的電波吸收功能，還可以增強(qiáng)電子有效收集，從而制備出高轉(zhuǎn)化率、低成本、空氣中穩(wěn)定的光伏電池。

棒狀氧化鋅晶須

8.硫酸鈣晶須

硫酸鈣晶須是以石膏為原材料，通過(guò)人為控制，以單晶形式生長(zhǎng)的，具有均勻的橫截面、完整的外形、完善的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的纖維狀（須狀）單晶體，具有高強(qiáng)度、高模量、高韌性、高絕緣性、耐磨耗、耐高溫、耐酸堿、抗腐蝕、紅外線反射性良好、易于表面處理、易與聚合物復(fù)合、無(wú)毒等諸多優(yōu)良的理化性能。

硫酸鈣晶須集增強(qiáng)纖維和超細(xì)無(wú)機(jī)填料二者的優(yōu)勢(shì)于一體，可用于高分子材料、涂料、油漆、摩擦和密封材料中作補(bǔ)強(qiáng)增韌劑或功能型填料；又可直接作為過(guò)濾材料、保溫材料、耐火隔熱材料、紅外線反射材料和包覆電線的高絕緣材料。

資料來(lái)源：

莫來(lái)石晶須的制備、生長(zhǎng)機(jī)理及其在陶瓷增韌中的應(yīng)用，張錦化。

氮化硅晶須結(jié)構(gòu)的性能研究及其應(yīng)用現(xiàn)狀，李甫。

氧化鋁晶須的研究進(jìn)展，李潔，乃學(xué)瑛，邊紹菊，李 武。

不同形態(tài)低維ZnO晶須的制備及表征，陳爾凡，張黎

粉體圈整理