前段时间，借由新能源粉体材料论坛的话题，我们讨论了正极材料用匣钵，它的主角正是莫来石，莫来石作为一种性能优良的高温结构陶瓷材料，在冶金、建筑和军工等领域有着广泛的应用，最常见的就是用作耐火材料。莫来石制备的耐火新材料广泛应用于马弗炉、煅烧炉、锅炉、回转窑等高温设备中，具有高熔点、膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等优点。

刚玉莫来石匣钵

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但莫来石的应用远不止如此，制备成特殊的形貌还可以作为功能添加剂使用，这就要从其结构的特殊性说起了。

莫来石的晶体结构是由铝氧四面体[AlO₄]和硅氧四面体[SiO₄]沿c轴排列组成双链，双链间由铝氧八面体[AlO₆]连接，在自由生长环境下易沿c轴优势生长，因此可通过控制合成条件来获得针状的莫来石晶须。晶须直径小，难以容纳在大晶体中常出现的缺陷，原子高度有序，因而其强度接近于完整晶体的理论值，被誉为“二十一世纪的补强材料”，用作陶瓷和聚合物基复合材料的补强剂，有着突出的效用。

莫来石的常见晶型及材料性质

莫来石晶须的制备方法

1. 固相法

固相法指的是压制成型后的固态物质在低于熔点的高温作用下，通过坯体间颗粒互相粘结和物质传递、气孔排除，体积收缩等环节逐渐形成具有一定形状和强度的烧结体。固态物质间的反应活性较低，反应速度较慢，直接通过固相法难以制备出莫来石晶须，一般需要添加一定的助剂以降低反应温度，促进晶须的原位生长。添加助剂后，莫来石晶须在形成过程中常伴随着液相和气相的反应，这是与常规固相烧结最大的不同点。

常规烧结过程示意图

常用的助剂为含氟助剂，其中对氟化铝(AlF₃)研究得最为广泛，其他含氟物质也有类似AlF₃的催化效果，常用的包括六氟铝酸铵和氟化铵。其他几种助剂例如 MoO₃、V₂O₅、WO₃和磷酸盐等，其作用机制主要是在高温下形成液相，使莫来石化的起始温度降低。不少研究者选择两种助剂联用，以促进莫来石晶须的生长。

2. 熔盐法

熔盐法因熔盐介质为莫来石晶须的形成提供了液态环境，因此具有所需合成温度低、产物形貌可控等优点。将盐与反应物按照一定的比例配制反应混合物，混合均匀后，加热使盐熔化，反应物在盐的熔体中进行反应，生成产物，冷却至室温后，以去数次以除去其中的盐得到产物粉体。

熔盐法合成过程示意图

在熔盐的选择上，由于NaSO₄熔盐和Al₂(SO₄)₃可形成低共熔混合物，当两者质量比为66∶34时，可形成熔点为640℃的低共熔混合物，因此众多研究者以NaSO4作为熔盐介质制备莫来石。通常莫来石晶须的纯度及形貌主要受熔盐介质在高温时的黏度以及莫来石晶须在熔盐中的溶解度影响，选择过饱和度较低的熔盐类型容易获得高纯度的莫来石晶须。

3. 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法通过以无机物或金属醇盐均匀混合作为前驱体原料在经过水解和缩合的化学反应后，再经过胶粒的聚合，从而制备出具有三维网状结构的凝胶。再将其放入恒温干燥箱中进行干燥，经过热处理后，有机成分氧化挥发掉了，最终得到无机非金属材料。传统溶胶-凝胶法合成莫来石的温度通常在1200 ℃以上，样块会发生烧结致密化，制备的莫来石晶须长径比较小。

通常莫来石前驱体溶液的pH对合成莫来石晶须有较大影响，一般在酸性条件下，前驱体的均匀性较好，能制得均质且高纯的莫来石。

溶胶-凝胶法合成示意图

莫来石晶须的应用

1. 用于陶瓷增韧补强

目前，莫来石晶须最广泛的应用是利用其优异的力学性能对陶瓷材料进行增韧补强。莫来石晶须增韧补强陶瓷的机制主要包括裂纹偏转或分岔、拔出效应、桥联效应三种机制。而晶须能否起到增韧补强效果，与晶须-陶瓷基体的界面结合状态和物理化学相容性等密切相关：

（1）晶须与基体界面结合力要适当；

（2）晶须的弹性模量和热膨胀系数应尽可能接近或稍大于陶瓷基体，以便减小界面处的剪应力，否则将造成宏观裂纹，使复合材料力学性能恶化；

（3）晶须与基体应尽量避免在界面处产生化学反应。

晶须补强陶瓷的传统方法是在配料中添加预合成晶须，不过添加预合成莫来石晶须的方法存在莫来石晶须分布均匀性差、晶须-基体界面结合强度低等缺点，因而一般采用原位生成莫来石晶须的方法，一般可有效提高材料的力学性能，特别是高温抗弯强度。

原位合成莫来石晶须增韧氧化铝陶瓷

2. 用于隔热保温材料

随着二氧化硅气凝胶的逐步应用，莫来石纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料在保温隔热领域受到越来越多的关注，这种复合气凝胶具有体积密度小、热导率低和力学性能优异等特点，但纤维-气凝胶界面较差的力学性能严重限制了该材料的开发与应用，还需进一步研究突破。

复合气凝胶保温材料

3. 用于过滤与吸附材料

莫来石晶须还可用于制备水油分离的莫来石晶须微孔过滤膜，并可通过改变烧结温度等参数来控制莫来石晶须的生长来获得适宜的气孔率和孔径大小。同时，还可用来制备体积密度小、热导率低、过滤特性良好莫来石晶须增强多孔陶瓷，这种复相多孔陶瓷具有稳定性好、重复利用率高、离子吸附能力强等特点。

水油分离过滤膜

4. 用于聚合物性能优化

莫来石晶须还可用于优化聚合物的性能，例如添加莫来石晶须有助于提高树脂基材料的摩擦稳定性，但晶须的长径比过高会导致磨损率的增加，最佳的长径比为14左右。

提高树脂基地板漆的耐磨性

5. 其他

还可以通过在具有陶瓷涂层的复合材料表面原位生长莫来石晶须，莫

来石晶须可有效提高涂层界面结合强度，增强制品的抗热震性。

用于涂层增强

总结

目前，莫来石晶须的主流制备方法主要有原位生长法和熔盐法。原位生长法具有工艺流程短、操作简单等优点，但晶须的生长过程难以控制。采用熔盐法可在较低温度下合成莫来石晶须；但其生长速度慢，周期长，许多熔盐的挥发物常腐蚀或污染炉体和环境，难以进行回收利用。莫来石晶须的主要应用集中于多孔陶瓷的增强增韧，力学性能得到优化的多孔陶瓷可应用于隔热保温、过滤与吸附等诸多领域。今后，对莫来石晶须的制备、生长机制和应用的研究，开发工艺简便、节能环保、成本低廉的方法，制备高纯、高长径比的莫来石晶须，以及探讨其产业化应用是未来的方向。

参考来源：

1.莫来石晶须的制备、生长机制及应用研究进展，刘朝阳、潘松阳、董泽明、文俊、王骏阳、于景坤（耐火材料）；

2.无机晶须材料的研究和应用进展，崔小明、金栋（塑料制造）；

3.晶须补强陶瓷基复合材料界面研究进展，黄勇、张宗涛、江作昭（硅酸盐学报）。

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