2.2　晶须

晶须已有很久的历史，但是推测出晶须为接近单晶结构，而且具有非常高的强度与弹性模量，从而可用于复合材料，还是最近几十年的事情。

随着复合材料的发展，特别是对短纤维强化树脂以及金属基复合材料需求的增多，人类迎来了一个迄今为止非常贵重的材料——晶须应用于工业化生产的时代。

1975年前后，美国、日本两国分别独立地发现用稻壳制造碳化硅晶须（SiC_w）能够大大降低成本并适于批量生产（在此之前SiC_w的价格为50美元/g）。为将该廉价的晶须用于工业生产，美国、日本两国都做了计划，然而受到制造与实用操作环境等实际困难的影响，致使进展不甚迅速。例如，将该类晶须用于铝合金，可使其弹性模量提高数倍，但采用熔融锻造法进行工业化生产，已经经历了十几年。另外，SiC_w对于陶瓷的高韧化来说未必能够满足，再加上环境问题等，该类晶须与几乎在同一时期开发的氮化硅晶须（Si₃N_4w）以及碳纤维（CF）等相比，其发展速度并不算快。

但是上述发展引起了材料科学工作者对晶须的关注，促进了晶须在工业实用化方面（虽然不是高温）的发展。不可否认，这些研究与开发又促进了SiC_w研究水平的提高。

2.2.1　SiC_w、Si₃N_4w

由于碳纤维（CF）在500℃以上能与Al发生反应生成碳化物，这意味着从工业意义上讲，CF与Al的复合化是十分困难的，研究者以此为契机开发了SiC_w。从成型工艺上讲，长纤维对金属等的复合化未必合适，而作为短纤维的晶须从形状上讲是合适的。用CVD法制备晶须不适于量产，所以很难成为工业材料。然而从廉价且原料丰富的SiC_w和C出发，用气相法制得SiC_w从原理上讲可用单纯的工艺完成。日本东海碳公司于20世纪80年代中期开发出了世界上最初的SiC纤维，随后的10年间实现了其在复合材料中的应用，开始了所谓的“晶须时代”。SiC_w的具有代表性的特性如表2.7所示。

2.2.2　钛酸钾晶须

钛酸钾晶须（KT_w）是以K₂O·nTiO₂为一般式的人工矿物的总称，其结构和性能随n的值不同而不同，n通常取2、4、6，可以用烧成法、熔融法、溶剂法等合成。在晶须的制备方法中，常用共晶定向凝固法。由于其具有极端的碱性，所以在制备过程中存在容器的选定、凝集体的去除、助溶剂（Mo、W化合物）的回收等问题。

各厂家所制造的KT_w的性能如表2.8所示，具有代表性的性能如表2.9所示，其用途如图2.9所示。

2.2.3　硼酸铝晶须

硼酸铝晶须（AlB_w）的强度与弹性模量都超过KT_w，其弹性模量可与SiC_w相媲美。硼酸铝晶须的制造方法不像SiC_w那样采用惰性气体气相法，而是使用像KT_w那样廉价的助溶剂法，即在1000℃以上，向Al₂O₃与B₂O₃的原材料中添加碱金属的氯化物、硫酸盐或碳酸盐等不参与反应的助溶剂。在1000～1200℃加热可生成具有9Al₂O₃·2B₂O₃成分的晶须。如果加热温度为800～1000℃，则得到成分为2Al₂O₃·3B₂O₃的晶须。其性能如表2.10所示。

2.2.4　氧化锌晶须

日本松下电器产业公司所开发的氧化锌晶须（ZnO_w）是以充分利用制造电容器时所产生的大量锌粉为起点。与其他晶须的形状不同，呈四脚状，如图2.10所示。虽然尺寸微小的四脚状物质在1941年就有发现，但像ZnO_w这样大的尺寸，却是在20世纪90年代初才开发出来的，其代表性的特性如表2.11所示。

此类大型四脚状晶须的主要用途见表2.12。由于它具有优异的振动吸收性，在开发特殊扩音器的振动板方面受到关注。此外，它还可以用于原子力显微镜的探针，能够清楚地观察到物质的数纳米凸凹。

2.2.5　石墨晶须

1960年，Bacon利用石墨电极直流放电在3900K、90atm¹下最初制得了石墨晶须。其抗拉强度达20GPa，弹性模量达700GPa，为人造石墨的研究提供了有用的基础。

工业上常采用的制备石墨晶须的方法是气相生长法，从原材料的供给到纤维生成的工艺都是连续的。石墨纤维与陶瓷纤维的性能比较如表2.13所示。从表可知，石墨纤维具有低密度、低硬度、高热（电）导率等特征。