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莫來石的主要成分是氧化鋁和氧化硅，是鋁硅酸鹽的礦物統(tǒng)稱，它是由鋁硅酸鹽經(jīng)過高溫條件形成的一種礦物，人工加熱鋁硅酸鹽時(shí)也會(huì)形成莫來石。近年來我國不斷加大煤炭資源的清潔利用，電廠發(fā)電產(chǎn)生的粉煤灰中也含有莫來石相，其中準(zhǔn)格爾電廠煤粉爐粉煤灰中莫來石含量在40%左右。莫來石的化學(xué)組成為3Al2O3·2SiO2-2Al2O3·SiO2，從相圖角度分析，在二元相圖系統(tǒng)中，莫來石為唯一穩(wěn)定的結(jié)晶鋁硅酸鹽。它的晶體結(jié)構(gòu)是由硅氧四面體和鋁氧四面體沿C軸無序排列組成雙鏈，雙鏈間由鋁氧八面體連接而成，其結(jié)構(gòu)中鋁氧八面體在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起到了骨架支撐作用，非公度調(diào)幅的2種有序化方式又使其具有穩(wěn)定的能量，因而莫來石具有非常好的化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)它兼具有良好的耐火度高、電絕緣性強(qiáng)等性質(zhì)、抗化學(xué)侵蝕、抗震性好、荷重軟化溫度高、抗蠕變，現(xiàn)被廣泛使用在冶金、化工、石油、電力、國防等諸多工業(yè)領(lǐng)域。

近年來，隨著莫來石及其復(fù)合新型材料的興起，引起了國內(nèi)外研究者對莫來石材料的高度重視，本文主要對莫來石的理化性質(zhì)、高純度莫來石的制備方法以及其在耐火材料和電學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行評述。

1高純度莫來石的理化性質(zhì)

高純度莫來石的理化性質(zhì)如表1、表2所示。

表1莫來石的物理性質(zhì)

表2莫來石主要的化學(xué)成分%

2高純度莫來石材料的制備方法

2.1溶膠-凝膠法(Sol-Gel法)

溶膠-凝膠法(Sol-Gel法)是以金屬醇鹽或無機(jī)物作為材料制備的前驅(qū)體，首先將原料混合均勻，然后進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定透明溶膠體系溶液，最后溶膠經(jīng)陳化膠粒間通過緩慢聚合后，形成多維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠，多維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間充滿了不流動(dòng)的溶劑，最終形成凝膠，再將凝膠烘干去除有機(jī)物，即可制備出無機(jī)功能材料。

羅發(fā)等人以鋁粉、正硅酸乙酯(TEOS)、HCl等為原料，采用Sol-Gel法合成了莫來石陶瓷功能材料，他們研究了莫來石陶瓷材料的燒結(jié)致密度、微波介電特性、燒結(jié)助劑MgO和測試頻率之間的關(guān)系。研究的結(jié)果表明，制備采用的燒結(jié)條件對莫來石陶瓷材料的致密度和介電常數(shù)影響很大，所研究的參數(shù)中熱壓溫度對莫來石陶瓷材料燒結(jié)致密度和復(fù)介電常數(shù)的影響最大。助劑MgO的添加，使得莫來石陶瓷材料復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部也有所升高，且其復(fù)介電常數(shù)沒有明顯頻散效應(yīng)。

何文等人研究了以TEOS和Al(NO3)3·9H2O為原料，采用溶膠-凝膠法(Sol-Gel)法，經(jīng)溶劑置換成醇凝膠，利用CO2超臨界流體對醇凝膠進(jìn)行低溫萃取干燥技術(shù)，制備了干凝膠超細(xì)粉，再經(jīng)過1150℃高溫加熱處理2h，即可較容易制備出高純度的莫來石超細(xì)粉體。制備的莫來石粉體粒徑在5~15nm，它的比表面高達(dá)376m2/g，且顆粒分布均勻，呈現(xiàn)短針狀或短柱形狀。

張新濤以硝酸鋁和正硅酸乙酯為原料，采用溶膠-凝膠(Sol-Gel法)法來制備了莫來石粉體功能材料，通過1300℃高溫?zé)崽幚?h，所制備的粉體莫來石材料，表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，如低介特性，其相對介質(zhì)損耗和介電常數(shù)會(huì)隨著莫來石含量的增加而增大，介質(zhì)損耗將隨著燒結(jié)溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢。

2.2水熱晶化法

水熱晶化法通常是在密閉的特制反應(yīng)器容器中，如高壓釜等特殊設(shè)備，以水溶液作為水熱反應(yīng)的介質(zhì)，加熱反應(yīng)發(fā)生器，通過創(chuàng)造一個(gè)高壓、高溫的反應(yīng)環(huán)境，使得一般條件很難溶或不溶的物質(zhì)溶解，并且通過重結(jié)晶形成高度分散的納米晶核，該方法稱為水熱晶化法。王銀葉等人使用天然礦物，采用水熱晶化法，合成了主晶相為莫來石的復(fù)合納米晶材料。研究者在溫度500℃~1005℃，對其復(fù)合納米晶進(jìn)行了加熱處理，發(fā)現(xiàn)復(fù)合納米晶具有非常良好的化學(xué)熱穩(wěn)定性。用TPR技術(shù)測試，結(jié)果表明復(fù)合材料對載體具有結(jié)構(gòu)效應(yīng)，且隨晶體表面結(jié)構(gòu)的不同，消耗不同的氫氣。

2.3水解沉淀法

水解沉淀法是指在澄清溶液中首先加入沉淀劑得到沉淀物，然后將沉淀物高溫煅燒使其分解，最終獲得粉體材料。水解沉淀法分為共沉淀法和單相沉淀法。共沉淀法是將沉淀劑加入溶液中形成沉淀;后者先將沉淀劑溶于溶液中，完全溶解后再通過沉淀劑的分解改變?nèi)芤旱膒H值，最終形成沉淀。研究者張志杰以Al13和活化硅酸為制備原料，采用水解沉淀法首先合成了莫來石前驅(qū)體，前驅(qū)體在不到900℃溫度熱處理約1h，形成了莫來石晶相。水解沉淀法合成莫來石時(shí)溫度較低，降低了制備難度，具有低溫合成的優(yōu)勢。

3莫來石的應(yīng)用

3.1莫來石在耐火材料領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，莫來石耐火材料發(fā)展非常迅速，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步提高，莫來石新材料不僅滿足了石油、化工等高溫行業(yè)迅速增長的需求，同時(shí)也滿足了高溫行業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步的新要求。現(xiàn)在工業(yè)使用的耐火材料可由氧化硅、氧化鈣、氧化鋁等氧化物制備而成。莫來石作為一種高性能的耐火材料，它具有：

(1)高熔點(diǎn);

(2)膨脹均勻;

(3)熱震穩(wěn)定性極好;

(4)荷重軟化點(diǎn)高;

(5)高溫蠕變值小;

(6)硬度大;

(7)抗化學(xué)腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。

莫來石制備的耐火新材料，目前廣泛應(yīng)用于馬弗爐、煅燒爐、鍋爐、回轉(zhuǎn)窯等高溫設(shè)備中。由莫來石制備耐高溫設(shè)備，不僅僅耐高溫，而且使用壽命長、耐腐蝕。莫來石與其他優(yōu)質(zhì)的材料進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，復(fù)合合成更加優(yōu)良性能的耐火材料。如采用堇青石-莫來石復(fù)合合成陶瓷窯具材料，制備的材料具有熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性優(yōu)異、耐火度高、高溫穩(wěn)定性好。因此，目前國內(nèi)外高檔陶瓷窯具普遍使用堇青石莫來石復(fù)合材料。總之，莫來石耐火材料越來越受到人們重視，相信會(huì)出現(xiàn)更多性能優(yōu)良的莫來石耐火材料。

3.2莫來石在電學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由超高性能的集成電路構(gòu)成，這使得低介電常數(shù)的陶瓷基片受到人們廣泛地研究。低介電常數(shù)的陶瓷基片具有3個(gè)特點(diǎn)：

(1)能與某些金屬燒結(jié)在一起;

(2)能承擔(dān)高的線路密度;

(3)具有較低的膨脹系數(shù)且與硅的熱膨脹系數(shù)匹配。

莫來石在電性能領(lǐng)域的應(yīng)用就體現(xiàn)在其作為一種優(yōu)秀的基片材料，它具有很低的介電常數(shù)，能承擔(dān)高的線路密度。因此，莫來石陶瓷和莫來石質(zhì)玻璃-陶瓷復(fù)合材料被用作高性能集成電路的優(yōu)良功能材料。

靳正國等人，進(jìn)行了莫來石陶瓷在電學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，隨著莫來石含量的不同，介電性能和介質(zhì)損耗也產(chǎn)生變化，復(fù)合材料中當(dāng)莫來石含量w=70%~90%時(shí)，介電常數(shù)變化于6.0~7.0。新型莫來石陶瓷基板材料具有低介電常數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、良好的強(qiáng)度,適宜在高速集成電路微電子組裝中應(yīng)用。

王靜制備了碳納米管莫來石復(fù)合材料。在莫來石陶瓷材料良好性能的基礎(chǔ)上，通過加入碳納米管提高其強(qiáng)韌性，研究利用碳納米管的特殊電學(xué)特性改性后莫來石材料的導(dǎo)電性質(zhì)、力學(xué)、熱學(xué)等性能。研究結(jié)果顯示，材料的各種性能都取得了較大提高。其中導(dǎo)電性能提高10個(gè)數(shù)量級以上;電常數(shù)提高10~30倍，損耗提高3個(gè)數(shù)量級;斷裂韌性提高達(dá)80%。這種材料兼具力學(xué)型復(fù)相材料和電學(xué)型復(fù)相材料的優(yōu)點(diǎn)，在電子材料領(lǐng)域中有重大的應(yīng)用前景。因此，新型莫來石陶瓷材料的研究具有十分重要的意義。

3.3莫來石在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

莫來石作為一種很優(yōu)秀的化工材料，除了上述方面的應(yīng)用研究，在其他方面也有很多的應(yīng)用。如莫來石可以作為透氣性陶瓷元件。這種材料機(jī)械強(qiáng)度大，氣孔分布較均勻，透氣性好。此外，莫來石復(fù)合材料可以作為催化劑載體，其具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性及耐熱性能，可以負(fù)載多種催化劑。制備的催化劑可用于石油裂解、汽車尾氣處理以及廢水處理等方面。莫來石陶瓷合金還可用于剎車片內(nèi)襯，這種材料以金屬合金作為基體，其他種類陶瓷作為分散介質(zhì)。由于該材料比聚合物制備的剎車材料具有較好的耐熱性和耐磨性，目前在飛機(jī)和高鐵系統(tǒng)以及汽車剎車片方面已經(jīng)廣泛使用。

4結(jié)語

近年來，在研究者們的不斷努力下，莫來石材料發(fā)展非常迅速，應(yīng)用也更加廣泛，出現(xiàn)了諸多綜合性能優(yōu)良的新型莫來石材料。目前，高溫結(jié)構(gòu)材料、陶瓷材料、絕熱絕緣材料的研究相對較多。在電學(xué)性能和光學(xué)性能方面研究相對較少，存在問題比較多，要想未來在電學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，需要加大研究力度。其次，在莫來石合成方法方面，需要在材料合成機(jī)理方面更加深入地分析研究，開發(fā)出更加適合于工業(yè)化的先進(jìn)方法;在理論方面需要加大莫來石材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究;這些都有利于開發(fā)出綜合性能更加優(yōu)良的新材料。上述研究方向都是將來研究的重點(diǎn)。