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| 硫酸钙晶须基本性能及生长机理 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2013-09-13 13:34:17 浏览次数： |
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（中国粉体技术网/三水）晶须是指以单晶形式生长成的具有一定长径比的一种纤维材料，其直径约为1-100mm，长度约为10-1000mm， 长径比达到5-1000甚至更高的纤维状单晶体。不含有通常材料中存在的缺陷（晶界、位错、空穴等），原子高度有序，强度接近于完整晶体的理论值，晶须具有一定的横截面形状、完整的外形、完整的内部结构，是目前已知强度最大的固体，具有优良的力学性能，可作为复合材料的增强和改性组分。然而，国内外现已开发出的晶须材料，如碳化硅晶须、氮化硅晶须、氧化铝晶须等多数价格高昂、制备工艺复杂，限制了其应用领域的拓展。
硫酸钙晶须，也就是石膏晶须，是无水硫酸钙的纤维状单晶体，白色疏松针状物，具有完善的结构、完整的外形、特定的横截面、稳定的尺寸，其平均长径比一般为30-80。和其他无机晶须相比，硫酸钙晶须性价比高、原料资源丰富、制备工艺简单、价格低廉，是绿色环保材料，可用作增强材料、摩擦材料、环保过滤材料、涂料纸张填充材料等，有着广阔的应用前景和实用价值。
1、硫酸钙晶须概述
硫酸钙晶须有三种，分别为无水硫酸钙（CaSO4）晶须、半水硫酸钙（CaSO4·0.5H2O）晶须和二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）晶须。均为蓬松状白色固体，纤维状或针状单晶体形态。其中，无水硫酸钙晶须在工业生产中的应用前景最好，可以作为中等强度的增强剂。其物理性质为：相对分子质量为 136.14，直径为 0.1-2mm、长度为 20-150mm、长径比为 10-100；熔点为 1450℃，相对密度为 2.96，莫氏硬度为 3-4，拉伸强度为 2.058Gpa，弹性模量为 176.4Gpa。
二水硫酸钙晶须相对分子质量为 172.18，长径比一般为 15-100，耐热性、硬度、强度均较差；室温下就会风化脱水，110℃左右继续脱水成为无定形的粉体。因此，其在工业应用方面收到了一定的限制，不被看好。
半水硫酸钙晶须相对分子质量为 145.15，长径比、耐热性、硬度和强度均介于二水和无水硫酸钙晶须之间，在 160℃左右脱水成为无定形的硫酸钙粉体。工业应用时，可先将其转化为无水硫酸钙晶须使用。
硫酸钙晶须物理化学性能比较好，表1是硫酸钙晶须与其他晶须性能及价格的比较。从表中可以看出，虽然硫酸钙晶须在力学性能方面略逊于现有开发的一些优良晶须，但是其具有很强的价格优势。其原料多、成本低、制备方法相对简单，是一种性能多样的非金属绿色环保材料，可用于工程塑料、造纸、刹车片等众多领域，拥有广阔的工业应用前景。
表 1 硫酸钙晶须与其他晶须性能及价格比较表
2、硫酸钙晶须的生长机理
无水硫酸钙晶须的生长过程可以归纳为如下步骤：溶解→重结晶→脱水成型，具体反应如下:
硫酸钙晶须是一种单晶体，其生长过程主要遵循轴向螺旋错位生长机理，符合 Harlman 和 Perdoek 等人提出的周期链理论。硫酸钙的晶体结构是以[SO42-]四面体与 Ca2+相互联结，形成了平行于（010）面的双层轴向，是晶体生长的主要方向，正是由于其轴向和侧面存在的生长速率差异，完成了其形态一维位错延伸。生石膏溶解，释放出结晶水；当溶解后的生石膏达到过饱和状态时，重结晶形成晶核；晶体在晶核的基础上生长，轴向强健生长速率最快呈螺旋位错增殖，侧面生长缓慢甚至停滞；晶体沿轴向不断尖端生长位错延伸，形成了硫酸钙晶须的最终形态。
此外，半水和二水硫酸钙晶须不太稳定，容易在潮湿的空气中或水溶液发生水化反应，导致其物理化学性质及晶体形貌发生变化，针对这方面的研究比较多，结果表面其水化过程和机理符合溶解析晶理论。水化反应影响了硫酸钙晶须的存放及使用，因此通常对硫酸钙晶须还需要进行一定稳定化处理，诸如高温煅烧、添加稳定剂、表面改性处理等。
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