王翛茜，宋慧平，薛芳斌

（山西大學資源與環(huán)境工程研究所，山西省黃河實驗室，山西太原 030006）

晶須是指在自然條件下或人工控制合成條件下生長的、具有一定長徑比的一種纖維［1-2］。其通常分為有機晶須和無機晶須，具體分類見圖1。其中有機晶須主要應用于聚合物中，而無機晶須應用范圍較廣，金屬氧化物晶須主要用于金屬基復合材料，陶瓷晶須和無機鹽晶須可用于多個領域，如陶瓷復合材料、聚合物復合材料、阻燃材料、建筑材料以及摩擦材料等。

圖1 晶須分類Fig.1 Whisker classification

無機晶須通過人為控制反應溫度、反應時間、攪拌速率、反應濃度等因素，可使其生長成為高長徑比的、性能良好的形貌［3］。而無機鹽晶須作為無機晶須的一種，由于其理化性質(zhì)穩(wěn)定［4］、力學性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性能良好等特性，而被廣泛應用于填料、塑料制品［5-6］、阻燃材料［7］、建材［8-10］、樹脂、造紙等領域。由于其剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性［11］等性能，可將其填充到塑料制品中，使其與高分子材料的韌性相結(jié)合，擴大現(xiàn)有塑料的應用范圍；因其顯著的增強、增韌、團聚少、易分散等獨特性能被用于水泥填料［12-14］、造紙、摩擦材料［15-16］等領域；同時因其晶須結(jié)構完整、內(nèi)部缺陷少，且價格低廉、制備簡單，將其作為填料添加到材料中以增強材料的強度、彈性模量、耐堿性、力學性能等。近年來，無機鹽晶須作為一種新型的、高強度、低成本、無毒、節(jié)能、環(huán)保的材料，因其性能優(yōu)異而得以廣泛應用。對于無機鹽晶須的研究引起了國內(nèi)外學者們的廣泛關注。因此，本文主要從晶體的生長機理、常見無機鹽晶須的種類、制備方法及其應用領域等方面進行介紹。圖2 為無機鹽晶須制備及應用的示意圖。

圖2 無機鹽晶須制備及應用示意圖Fig.2 Schematic diagram of preparation and application of inorganic salt whiskers

1 晶體成核-生長機理

1.1 傳統(tǒng)晶體成核-生長機理

傳統(tǒng)的晶須生長機理包括過飽和度理論、溶解-結(jié)晶理論機理、V-L-S（氣-液-固）機理、L-S（液-固）機理、V-S（氣-固）機理以及位錯生長機理。

溶液的過飽和度是晶體成核和生長的關鍵。通常情況下，過飽和度增大導致結(jié)晶速率加快，但是過飽和度過大也會導致溶液濃度過大，使得晶體生長受阻。溶解-結(jié)晶理論通常是指由于物質(zhì)在溶液中的溶解度隨溫度的變化而變化，因此，通過控制不同的溫度區(qū)間，就可使物質(zhì)以晶體的形式析出。

V-L-S 機制［17］認為在晶須生長過程中，體系中助溶劑和其他組分在溫度較低時，會形成低共融的液滴，此時液滴表面有一個V-L-S 界面層，液滴周圍的氣態(tài)物質(zhì)被界面層不斷吸納，當達到一定的濃度后，氣態(tài)物質(zhì)會以固態(tài)形式析出，從而形成晶核，V-L-S 界面不斷吸納氣態(tài)分子，并在晶核處不斷析出晶體，進而使得晶體在晶核的基礎上進行生長。

L-S 機制和V-S 機制［18-19］可用螺旋位錯生長機理進行解釋，螺旋位錯生長機制［20］認為晶體中存在螺旋位錯，而螺旋位錯上存在臺階，可誘導晶體不斷生長。螺旋位錯生長主要發(fā)生在過飽和度低于σ*（第一臨界過飽和度）的區(qū)域內(nèi)，螺旋位錯缺陷可以促進晶體生長，當螺旋位錯的線與晶體表面相交時，會產(chǎn)生臺階邊緣，因此晶體可以在低過飽和度下以這種臺階作為生長源成核生長。

1.2 非經(jīng)典成核機理

傳統(tǒng)的晶須生長機制均存在一定的局限性。V-L-S 機理只適合高溫條件生長的晶須；而L-S 機理、V-S 機理均不適于液相體系下晶須的生長。同時，傳統(tǒng)的晶須生長機理只是從宏觀角度對晶須生長機理進行了探討，對于其微觀生長機理沒有進行深入研究。因此吳健松等［17］在前人研究的基礎上提出了拓展的ACP（Anionic Coordination Polyhedral）模型，此模型從微觀生長基元的結(jié)構去剖析晶體生長的規(guī)律，從本質(zhì)上認識了晶體生長，對于液相體系中晶須的生長有一定的指導意義。但是此模型只適用于常溫常壓，或者低溫條件下的液相法制備的無機非金屬晶須，對于其他方法的適用性未能做出預測。王春娥等［21］通過經(jīng)典分子動力學（MD）方法對不同濃度的水溶液下硫酸鈣的離子締合特性和水合動態(tài)行為、預成核團簇特征以及相應的成核機制進行研究，并從分子水平上對硫酸鈣的成核機理進行了解釋。經(jīng)典MD 方法模擬CaSO4水溶液的示意圖如圖3所示。

圖3 經(jīng)典MD方法模擬CaSO4水溶液示意圖［21］Fig.3 Schematic diagram of CaSO4 aqueous solution simulated by MD method［21］

1.3 晶體生長模型

晶體表面能及其各向異性在晶體生長過程中起著關鍵的作用，在晶體生長過程中，晶體往往會沿著表面能低的方向生長。晶核首先在溶液中形成，其次，晶體將在晶核的基礎上進一步進行生長。本文主要介紹層生長理論模型和螺旋位錯生長理論模型。

1.3.1 層生長理論模型

層生長理論也稱科賽爾-斯特蘭斯基理論。該模型主要問題在于：在晶面未發(fā)育完全前，找到最佳的生長位置［22］。晶體生長過程中的表面狀態(tài)如圖4所示。在晶體生長過程中，界面上的不同位置，其成鍵數(shù)目也不同，穩(wěn)定性不同。來自環(huán)境相的新質(zhì)點在環(huán)境相與新相界面的晶格就位時，通常在能量上最有利的位置上進行結(jié)合，也就是結(jié)合成鍵的位置是成鍵數(shù)目最多、釋放能量最大的位置。但是，實際狀態(tài)下的晶面生長并非完全按照二維層生長機制進行的，當?shù)谝粚泳嫘纬珊?，由于已長好的面網(wǎng)對溶液中質(zhì)點的吸引力減小，質(zhì)點不易被吸引到晶面上，因此當?shù)谝粚泳嫘纬珊螅诙泳嫱茈y形成。同時，實際晶體生長過程比層生長理論要復雜很多。通常情況下，沉淀在晶面上的物質(zhì)往往達到幾萬或幾十萬個分子層的厚度，晶體生長往往也不會按一層一層順序生長，而是第一層還未長完，第二層已經(jīng)開始生長，所以實際晶體通常會長成表面不平整的階梯狀，如圖4所示。

圖4 晶體生長過程表面狀態(tài)圖解［22］Fig.4 Diagram of surface states during crystal growth［22］

1.3.2 螺旋位錯生長理論模型

螺旋生長理論也叫BCF 理論模型［23］，該機理認為晶體在生長初期，首先按層生長理論進行，當晶格內(nèi)部積蓄了內(nèi)應力之后，導致晶格位置發(fā)生滑移，出現(xiàn)螺旋位錯。在晶體生長過程中，生長界面上的螺旋位錯露頭點形成的凹角以及其延伸所形成的二面凹角如圖5 所示。作為晶體生長的臺階源，促進晶體呈螺旋狀生長［24］，解釋了晶體在低過飽和度下生長的機理，其生長過程見圖6。

圖5 晶面上形成的臺階源［23］Fig.5 Step source formed on crystal plane［23］

圖6 螺旋生長過程［23］Fig.6 Spiral growth process［23］

2 常見無機鹽晶須的種類

無機鹽晶須由于其理化性質(zhì)穩(wěn)定、力學性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性能良好等特性，而被廣泛應用于填料、塑料制品、阻燃材料、建材、樹脂、造紙等領域［25-26］。常見的無機鹽晶須的種類及物理參數(shù)如表1所示。

表1 常見無機晶須的種類及物理參數(shù)［27］Table 1 Types and physical parameters of common inorganic whiskers［27］

3 常見無機鹽晶須的制備方法

3.1 氣相法

氣相法［28］是通過在高溫條件下，將原材料氣化成原子、分子或離子，進而將氣化后的原料在低溫條件下進行冷凝，由于低溫區(qū)過飽和度較高溫區(qū)低，導致氣相分子聚集形成晶核，進而生長成為晶須。根據(jù)氣化方式的不同，一般可將其分為化學氣相沉積（CVD）［29-30］和物理氣相沉積（PVD）［31-32］。CVD 技術通常是將若干種物質(zhì)加熱氣化，使其發(fā)生化學反應，之后在低溫區(qū)進行晶體成核以及生長。該方法一般用于陶瓷晶須的制備。PVD 技術是將原料在高溫氣化，在低溫進行成核以及生長，原料間不發(fā)生化學反應，所需溫度較CVD低。該方法一般用于低熔點的金屬晶須的制備。

3.2 固相法

固相法［33］是指將反應物混合均勻，在高溫下經(jīng)過煅燒，固體界面進行反應、成核并生長，從而得到產(chǎn)物的一種方法。用該方法制備晶須產(chǎn)品原料的前處理簡單，但是所制備的產(chǎn)物形貌不均勻，其制備工藝也比較復雜，制備過程對溫度要求比較嚴苛。

無機鹽晶須的制備，目前常采用液相法，對于氣相法和固相法的使用則相對較少。下文著重對液相法進行介紹。

3.3 液相法

液相法主要是指在溶液環(huán)境下，介質(zhì)在溶液中達到過飽和，在助晶劑的作用下實現(xiàn)晶體的定向生長。目前無機鹽晶須的制備多用液相法制備，其常見的制備方法包括水熱合成法、碳化法、常壓酸化法以及溶膠-凝膠法。

3.3.1 水熱合成法

水熱合成法在高溫高壓的條件下進行，通常將原料放置于高壓反應釜中，在水熱條件下，通過添加一定的助晶劑誘導晶體定向生長。水熱合成法是目前晶須制備較為常用的一種方法。

魯利梅［34］以MgSO4·7H2O 及NH3·H2O 為原料，采用靜態(tài)水熱法，在190 ℃的條件下，制備出長徑比為110 的針狀晶須，且產(chǎn)率可以達到89.72%。REN 等［35］利用水熱法成功制備了長約為30 μm、直徑約為3 μm 的氫氧化鎂晶須。張忠陽［36］以153 型堿式硫酸鎂晶須和NaOH 為原料，采用水熱法合成了Mg（OH）2晶須（MHSH），在攪拌速率為100 r/min、反應溫度為180 ℃的條件下反應4 h，制備出平均長徑比大于100 的納米Mg（OH）2晶須，且所得產(chǎn)物純度較高。

相湛昌［37］以MgCl2為原料，采用水熱合成法合成堿式硫酸鎂晶須，在反應溫度為200 ℃的條件下得到了長度為300～700 μm、長徑比大于100 的硫酸鎂晶須。王一瑩等［38］在190 ℃的水熱條件下，以MgSO4·7H2O、MgCl2為原料，以氫氧化鈣為沉淀劑，采用水熱法合成了平均長度為360～390 μm 的硫酸鎂晶須。研究發(fā)現(xiàn)，溶液中雜質(zhì)離子會影響晶須的生長，Cl-的存在［39］阻礙了Mg2+和OH-的作用，使得晶須生長時間滯后，其影響示意圖如圖7所示。

圖7 Cl-作用下堿式硫酸鎂晶須的生長機理示意圖［39］Fig.7 Growth mechanism of basic magnesium sulfate whisker under the action of Cl-［39］

ZHOU 等［40］在前人研究的基礎上，提出了一種由煙氣脫硫制備硫酸鈣晶須的新方法。在水熱體系中，采用一步水熱法制備硫酸鈣晶須，由于煙氣脫硫過程中通常會引入大量碳酸鈣等雜質(zhì)，最終導致硫酸鈣晶須制備過程不穩(wěn)定。因此在此基礎上提出了一種冷卻提純和升溫重結(jié)晶的宏觀調(diào)控新方法。通過調(diào)節(jié)高壓水熱反應體系中的溫度、時間、速度等因素控制硫酸鈣晶須的形貌，制備出高長徑比的硫酸鈣晶須。其實驗過程及硫酸鈣晶須制備機理如圖8所示。

圖8 硫酸鈣晶須制備流程圖（a）和硫酸鈣晶須制備機理圖（b）［40］Fig.8 Preparation flow diagram of calcium sulfate whisker（a）and preparation mechanism diagram of calcium sulfate whisker（b）［40］

水熱合成法是制備晶須產(chǎn)品常見的一種方法，可以制備出純度較高的晶須，但是生產(chǎn)過程往往需要在高溫高壓下進行。同時，由于其生產(chǎn)設備復雜而不能工業(yè)化應用。

3.3.2 碳化法

碳化法主要是含碳礦物經(jīng)過煅燒-消化-碳化等一系列過程后得到的產(chǎn)品。碳酸鈣晶須常用碳化法來制備，將CO2氣體以一定的速率通入Ca（OH）2懸濁液中制備碳酸鈣晶須，其制備過程中往往需要添加一定的晶型助劑來調(diào)控晶體的生長。

李會杰等［41］以白云石為原料，采用氣液接觸法制備了碳酸鈣晶須。首先考察了反應溫度對碳酸鈣晶須性能的影響。碳酸鈣在溫度增加的過程中，其形貌會經(jīng)歷球狀（團聚）-晶須狀（團聚）-晶須狀（分散）的變化過程，如圖9所示。并對攪拌速率以及CO2通氣速率進行考察，最終在反應溫度為80 ℃、攪拌速度為400 r/min、CO2通氣速率為100 mL/min 時，得到的碳酸鈣晶須性能最優(yōu)，其晶須質(zhì)量分數(shù)為92.7%，長徑比可達23。同時，利用碳化法制備碳酸鈣晶須的過程中發(fā)現(xiàn)，在碳化反應過程中，氫氧化鎂膠狀物在其中起到重要的作用。因此，李慶蕾［42］通過碳化法對碳酸鈣晶須生長過程進行調(diào)控，其制備工藝流程圖和裝置圖見圖10。實驗得出在鎂鈣物質(zhì)的量比為2時，對碳酸鈣晶須純度及長徑比的提升作用最優(yōu)。同時對碳酸鈣晶須的生長過程進行了分析，碳酸鈣晶須的生長過程主要分為前期、中期、后期3個階段，碳酸鈣晶須生長歷程示意圖如圖11所示。

圖9 不同溫度下碳酸鈣的SEM照片［41］Fig.9 SEM images of calcium carbonate at different temperature［41］

圖10 碳化法制備碳酸鈣晶須工藝流程圖（a）和裝置圖（b）［42］Fig.10 Process flow chart（a）and device diagram（b）of calcium carbonate whisker prepared by carbonization［42］

圖11 碳酸鈣晶須生長歷程示意圖［42］Fig.11 Diagrammatic sketch of growth process of calcium carbonate whisker［42］

碳化法制備碳酸鈣晶須，制備工藝過程簡單，但是反應過程中需要反應物保持一定的濃度，使得制備的碳酸鈣具有低過飽和度，同時生產(chǎn)過程往往需要加入一些助晶劑調(diào)控晶須形貌，但是助晶劑的加入也會造成生成晶須產(chǎn)品的純度降低。

3.3.3 常壓酸化法

常壓酸化法是在常壓的條件下，通過向體系中加入一定量的酸來調(diào)控晶體的生長。相對于水熱合成法，該方法不需要在高壓的條件下進行，降低了能耗以及制備成本，同時由于工藝簡單而可被工業(yè)化應用。表2 列出了常壓酸化法制備硫酸鈣晶須的一些工藝參數(shù)以及生成晶須的形貌（如圖12所示）。

表2 常壓酸化法制備硫酸鈣晶須研究進展Table 2 Research progress on whisker prepared by atmospheric acidification method

圖12 常壓酸化法制備硫酸鈣晶須的形貌［43-48］Fig.12 Morphology of calcium sulfate whiskers prepared by atmospheric pressure acidification［43-48］

在體系中加入一定量的晶型控制劑，對生成晶須的形貌可以起到一定的促進作用。在反應體系中加入一定量的CuCl2，不僅可以增加CaSO4·2H2O 的溶解度、改變其過飽和度，同時也可以促使晶須朝著一維方向生長［44］。添加質(zhì)量分數(shù)為1%檸檬酸，可得到長徑比約為30 的無水硫酸鈣晶須［49］。添加十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）［50］，可制備出長徑比達130的CaSO4·2H2O晶須，且可以促進晶須沿一維方向生長。

3.3.4 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法［51］是以無機鹽為前驅(qū)物，前驅(qū)物經(jīng)過水解縮聚反應后，最后經(jīng)過高溫處理得到目標產(chǎn)物的一種方法。

溶膠-凝膠法制備晶須工藝簡單、產(chǎn)品均勻性好，但是其產(chǎn)品制備能耗大、且易產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。因此，在制備晶須產(chǎn)品方面沒有得到廣泛應用。

綜上所述，無機晶須的制備方法主要包括氣相法、液相法以及固相法3種，總結(jié)其制備方法特點如表3所示。

表3 無機晶須制備方法特點對比Table 3 Comparison of characteristics of inorganic whisker preparation methods

4 常見無機鹽晶須的應用

無機鹽晶須由于具有高長徑比和高強度以及拉伸性能，往往可以作為一種重要的增強材料加入到阻燃材料、建筑材料、復合材料和摩擦材料中。晶須在復合材料中的作用機理主要體現(xiàn)在負荷傳遞、裂紋橋連、裂紋偏轉(zhuǎn)和拔出效應4個方面［27］，其作用機理見圖13。無機鹽晶須由于強度大、模量高，因此，當其添加到復合材料中時，可對復合材料起到一定的增強增韌作用。

圖13 晶須在復合材料的作用機理圖Fig.13 Action mechanism of whisker in composite materials

4.1 阻燃材料

新型建筑材料的防火性能研究是公共防護的重要組成部分，也是大規(guī)模應用于建筑工程的必要條件。無機鹽晶須由于耐高溫性能優(yōu)異［52-53］，經(jīng)常作為阻燃材料添加到其他材料中，以提高復合材料的阻燃性能。

氫氧化鎂晶須具有一定的阻燃效果。于利波等［54］以氫氧化鎂晶須為阻燃劑，和低密度聚乙烯進行復合，并討論了偶聯(lián)劑、阻燃劑表面處理以及晶須含量對復合材料性能的影響。結(jié)果表明，氫氧化鎂晶須添加到低密度聚乙烯中具有一定的阻燃效果，在氫氧化鎂晶須的含量達到40%（質(zhì)量分數(shù)）以上時，才能表現(xiàn)出一定的阻燃效果，其含量為50%（質(zhì)量分數(shù)）以上時阻燃效果較好。

呂智慧等［55］采用溶液共混法將堿式硫酸鎂晶須（MOSw）與聚丙烯（PP）進行共混制備了一系列不同含量的聚丙烯/堿式硫酸鎂晶須（PP/MOSw）復合材料。通過水平燃燒實驗等一系列測試手段測試了PP/MOSw復合材料的阻燃性能。結(jié)果表明MOSw的加入對PP樹脂有良好的阻燃效果，在添加量為10%時阻燃效果即能達到很好。

4.2 建筑材料

目前，在材料消費行業(yè)中，建筑行業(yè)是最大的材料消費行業(yè)之一，約占全球材料消費量的24%［56］。在建筑材料中，由于無機晶須具有一定的長徑比，同時其優(yōu)異的理化性能使得其在建筑材料上得以廣泛應用。無機晶須在微尺度下具有抗裂和填充效應［57］，因此將晶須摻雜在復合材料中，可以有效地提高復合材料的綜合性能。表4列舉出了晶須摻雜對建筑材料性能的影響。從表4 可以看出，無機晶須對建筑材料性能的影響主要體現(xiàn)在對材料力學性能的提高上，主要從宏觀角度出發(fā)，缺少一定的微觀解釋。因此，有學者從微觀結(jié)構出發(fā)，對晶須摻雜機理進行解釋，表明晶須在體系內(nèi)部能夠增加晶體之間的接觸點，并填充氣孔，使得體系結(jié)構更加致密，從而大大提高了材料的力學性能。JIAN 等［65］對脫硫石膏基復合材料中無水硫酸鈣晶須和碳酸鈣晶須的作用機理進行探究，其示意圖如圖14所示。晶須的存在會阻止材料裂紋的發(fā)展、導致裂紋偏轉(zhuǎn)、增加裂紋的擴散路徑、消耗能量。同時晶須能夠改善試樣的力學性能。

圖14 脫硫石膏基復合材料中的晶須作用機理示意圖［65］Fig.14 Diagrammatic sketch of whisker mechanism in desulfurized gypsum matrix composite［65］

表4 晶須摻雜對建筑材料性能的影響Table 4 Influence of whisker doping on the properties of building materials

LI 等［66-67］通過方解石碳酸鈣晶須和文石碳酸鈣晶須對水泥漿體綜合性能的對比，得出方解石碳酸鈣晶須的抗壓強度和抗折強度都高于文石碳酸鈣晶須。同時與文石水泥相比，方解石水泥改善了新拌水泥漿體的流動性，體現(xiàn)了方解石水泥的潤滑作用。同時，通過對碳酸鈣晶須作用下水泥基復合材料的微觀結(jié)構的變化，從微觀角度得出方解石碳酸鈣晶須的加入也改善了孔隙分布和抗壓強度（見圖15），由圖15 可以看出，晶須的存在有效阻止了裂紋的產(chǎn)生。

圖15 晶須增強水泥漿體室溫壓縮后的掃描電鏡微觀形貌［67］Fig.15 SEM micromorphology of whisker reinforced cement paste after compression at room temperature［67］

4.3 復合材料

無機晶須作為填料，對復合材料的物理性能以及力學性能等方面有一定的增強作用。同時，研究指出，對晶須進行適當?shù)母男蕴幚砜梢蕴岣邚秃喜牧系木C合性能。

GONG 等［5］采 用 簡 易 方 法 在 氫 氧 化 鎂 晶 須（MHSH）表面包覆殼聚糖。研究了殼聚糖（CS）包覆的氫氧化鎂晶須對聚氯乙烯的增強增韌作用。實驗表明：殼聚糖的最佳改性質(zhì)量分數(shù)為0.025%。添加15 份CS-MHSH 晶須的復合材料，其缺口沖擊強度和彎曲模量分別較未改性的MHSH提高了48.3%和4.1%。JIANG 等［68］用硬脂酸鈉改性氫氧化鎂晶須，研究了改性和未改性的氫氧化鎂晶須對復合材料力學性能的影響。結(jié)果表明，改性的氫氧化鎂晶須對復合材料的力學性能有顯著的改善。

王迪等［69］以馬來酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）為相容劑，將堿式硫酸鎂晶須（MOSw）加入聚丙烯（PP）中，通過熔融共混法制備出PP/MOS復合材料。并且對復合材料的阻燃性能、拉伸性能等進行研究。結(jié)果表明，當MOS添加量為5%時，兩種復合材料的極限氧指數(shù)均有所提高，從不添加晶須的聚丙烯的18.4%提升到了19.4%。斷裂應力在含量為20%時達到最大值。

劉煦等［70］研究堿式硫酸鎂晶須（MOSw）添加量對聚丙烯（PP）性能的影響，實驗表明當MOSw 含量達到22.5%時，復合材料表現(xiàn)出良好的力學性能，其線膨脹系數(shù)比純PP材料降低了約60%，樣品穩(wěn)定性也得到了提高。蒙紅平等［71］制備了聚氯乙烯/堿式硫酸鎂晶須（PVC/MOSw）復合材料，并對其對復合材料的性能進行了考察。實驗結(jié)果表明在MOS 質(zhì)量分數(shù)為5%時，復合材料沖擊強度增強效果最為明顯。

對于聚合物基復合材料，由于其機械性能和熱性能良好已被深入研究。在這些基體中，聚丙烯因其用途廣泛而被研究。同時硫酸鈣晶須是一種廉價的填料，可以從石膏、礦物甚至工業(yè)廢渣中提取，具有良好的經(jīng)濟價值。DONG等［72］通過水熱法制備硫酸鈣晶須，并通過對晶須表面進行處理，使基體與晶須的界面結(jié)合力增強，并能很好地分散在聚丙烯基體中，同時得出隨著晶須添加量的增加，復合材料的拉伸強度先增大后減小，當晶須加入量為10%（質(zhì)量分數(shù)）時，復合材料的拉伸強度為37.6 MPa，比未加入晶須的復合材料的強度提高了11.6%。但當晶須含量較高時，復合材料的機械性能下降，這是由于晶須團聚和樣品制備過程中晶須的損傷，使這些無機填料在范德華力的作用下傾向于聚集在一起，從而導致團聚使其機械性能下降。YANG等［73］對硫酸鈣晶須進行硅烷化處理，不僅提高了晶須與聚乳酸的界面相容性。同時得出在硫酸鈣晶須質(zhì)量分數(shù)為15%時其沖擊韌性最強。

4.4 摩擦材料

近年來，晶須作為功能填料對汽車制動摩擦性能的提升有一定的增強效果。SUDHAN RAJ 等［15］探究了硫酸鈣晶須作為功能填料對汽車制動摩擦性能的影響。通過改變硫酸鈣晶須的摻量，根據(jù)JASO C 406 標準，在慣性制動器測功機上進行摩擦學研究，結(jié)果表明添加質(zhì)量分數(shù)為10%硫酸鈣晶須的材料，其力學性能得到改善，同時提高了摩擦性能，含有硫酸鈣晶須的摩擦材料磨損較小。

李玉紅等［74］通過干法熱壓成型工藝制備了碳酸鈣晶須摩擦復合材料。同時，研究了晶須含量對摩擦性能、磨損性能、物理性能和機械性能的影響。實驗表明，碳酸鈣晶須質(zhì)量分數(shù)為12%時，制備的碳酸鈣晶須增強摩擦材料綜合性能最佳，其平均摩擦系數(shù)為0.40，平均磨損率為0.24×10-7cm3/（N·m），平均沖擊強度和洛氏硬度分別為4.02 J/cm2和71，密度為2.15 g/cm3。文國富等［75］通過對添加碳酸鈣晶須材料的硬度、密度以及沖擊強度等力學性能的探究，結(jié)果表明在晶須質(zhì)量分數(shù)為15%時，其摩擦材料的綜合性能最優(yōu)。

5 結(jié)語

本文主要介紹了晶體生長的機理，綜述了常見的幾類無機鹽晶須的制備方法及其應用方向。近幾年，無機鹽晶須由于優(yōu)異的理化性質(zhì)、廣泛的應用范圍而受到學者們的不斷深入研究。無機鹽晶須因其力學性質(zhì)優(yōu)異可用于涂料、水泥砂漿等建筑材料的填料；因其熱穩(wěn)定性能良好可作為阻燃劑；同時也可以作為功能填料對材料摩擦性能有一定的提升。

雖然國內(nèi)外對無機鹽晶須的研發(fā)已有比較成熟的工藝，但是在其生長機理、制備以及應用方面仍存在一些問題。晶體生長機理大多是用于簡單的水溶液體系，對于復雜體系中晶須生長機理尚不明確；氣相法制備晶須影響因素多，工業(yè)化程度差；固相法制備晶須產(chǎn)物形貌不均一，制備過程中對溫度較為嚴苛；液相法為制備無機鹽晶須常用的方法，但是液相法制備晶須通常需要60 ℃以上的溫度，對于一些需要在室溫下進行的工藝有一定的局限性。

無機鹽晶須的應用大多仍處于實驗室階段，缺乏大規(guī)模的工業(yè)化應用。究其原因主要存在以下幾點：水熱合成法需在密閉的水熱反應釜內(nèi)進行，制備過程可視化程度低［76］，因而對設備的密封性要求高；碳化法在工業(yè)化應用過程中，需放大碳化塔體積，在放大過程中與實驗室水平相比傳質(zhì)效果變差［77］；常壓酸化法由于制備過程中需引進酸，因而對設備的腐蝕性大，同時，酸液的處理成本較大；溶膠凝膠法生產(chǎn)成本高，且制備過程中容易產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)；工業(yè)化過程中，由于生產(chǎn)設備的放大，實驗室的工藝條件存在的一些問題會進一步放大，因此限制了工業(yè)化進程。

對于上述問題，今后的研究還需進一步加強無機鹽晶須的研發(fā)，開發(fā)低成本、低能耗的制備方法。探究在室溫下晶須生長的條件，以進一步擴大無機鹽晶須的應用范圍，充分利用其優(yōu)異性能，致力于高新技術材料的研發(fā)。在實際工業(yè)化應用中，需考慮設備的抗腐蝕性、廢液的回收利用以及實際操作中工藝條件的優(yōu)化。對于實際工業(yè)化應用過程中，著眼于簡化流程，優(yōu)化工藝條件，降低生產(chǎn)成本，以期達到可工業(yè)化的應用。