晶須對環氧樹脂改性的研究進展
晶須因其直徑小、長徑比大，具有高強度、高模量及耐熱性優良等特性，在高分子材料改性中有著獨特的作用。環氧樹脂因其具有強度高、粘結性好、熱穩定性好及強度高、收縮性小等特點在國民經濟的各個領域得到了廣泛應用。晶須改性環氧樹脂可以進一步提高其力學性能、耐摩擦磨損性能以及抗靜電性能。本文介紹了幾種在環氧樹脂改性研究和應用中常見的晶須及其性能，并對國內外近幾年內晶須在環氧樹脂復合材料方面的研究和應用進行了綜述。
關鍵詞：晶須環氧樹脂力學性能抗靜電性綜述
目前，在工業生產和實驗研究中所用到的晶須絕大多數都是指無機物晶須，有機物晶須目前品種和數量都較少，主要有纖維素晶須。晶須直徑很小，通常為亞微米到微米級，但長徑比很大。無機晶須中原子排列高度有序，結晶完整，具有高強度、高模量、低密度、耐熱、耐磨等優異性能。將晶須填充于聚合物基體中，可以顯著提高聚合物材料的綜合性能[1]。
環氧樹脂（EP）是應用廣泛的熱固性高分子材料之一，具有優良的粘結性、熱穩定性、電絕緣性、耐化學藥品性能及強度高、收縮率小、價格低廉等特點，廣泛應用于涂料、膠黏劑、輕工、建筑、機械、航天航空、電子電氣絕緣材料以及先進復合材料等各個領域。但由于環氧樹脂固化物脆性大、抗沖擊強度低、易開裂、抗靜電性差等缺點，限制了其進一步應用[2]。
許多研究結果表明，將晶須填充到環氧樹脂基體中，可以有效地解決這些缺點，大幅度提升環氧樹脂的綜合性能[3]。本文對國內外近年來有關晶須改性環氧樹脂的研究和應用情況進行了綜述。
1·晶須的種類
將根據晶須的化學結構進行分類。
1.1鈦酸鉀晶須[4,5]
鈦酸鉀（PTW）晶須是一種針狀短纖維材料，它主要有兩種形式：四鈦酸鉀（K2O·4TiO2）和六鈦酸鉀（K2O·6TiO2）。其中K2O·4TiO2化學活性很高，應用較少；而K2O·6TiO2具有優良的絕熱性、耐化學藥品性、耐磨性、低熱導率和高紅外反射率、高溫下導熱系數極低、價格較低以及硬度低等特點，應用價值大，應用也多。
1.2碳化硅晶須[4,6]
碳化硅（SiC）晶須為立方晶須，其晶型與金剛石相同，是目前晶須中硬度高、模量大、耐熱性好的晶須。它有兩種結構形式：α型和β型，其中β型硬度更高，韌性和導電性等綜合性能更好。
1.3硼酸鹽晶須[7]
工業上用的硼酸鹽晶須一般是指硼酸鋁（9Al2O3·2B2O3）晶須，它具有各向異性，機械性能和化學性能極其穩定。另外，從組成上看，Al2O3成分占比較大，因而其與金屬共價性高，具有中子吸收能力，電絕緣性、化學穩定性和耐熱性好，可用作金屬、陶瓷、纖維等增強材料。
1.4碳酸鈣晶須[8]
碳酸鈣（CaCO3）晶須是近年來新開發出來的一種新型針狀晶須，具有強度高、尺寸穩定性、耐熱性、耐磨性優良等優點，此外，制備碳酸鈣晶須原料豐富、工藝簡單、成本低、具有極高的性價比。
1.5硫酸鈣晶須[9]
硫酸鈣晶須是一種半水或無水纖維狀單晶體，具有完整結構、特定橫截面和穩定的尺寸。與其他短纖維相比，硫酸鈣晶須具有耐高溫、抗化學腐蝕、強度高、電絕緣性好、相容性好、易進行表面處理、與聚合物的親和能力強等優點。此外，硫酸鈣晶須，低毒性、綠色環保、原料豐富、價格低廉、性價比很高。
1.6氧化鋅晶須[10]
氧化鋅（ZnO）晶須按結構，可分為兩類：一維針狀氧化鋅晶須和具有三維空間結構的四針狀氧化鋅晶須。前者主要用于增強，后者由于獨特的結構，使其性能要優于一般晶須，除了用于增強，還用于提高高分子材料抗靜電性。所謂四針狀是因為，其有一個核心，從核心徑向方向伸展出四根針狀晶體，每根針狀體均為單晶體，任意兩個針狀體的夾角為109°28′。西南交通大學和沈陽化工學院已研制成功了四針狀氧化鋅的制備工藝，并投入了生產。
1.7纖維素晶須[11]
纖維素晶須主要由從植物（棉花，稻草干等），細菌，被囊類海生動物等分離出的纖維素經酸水解制得，其具有來源豐富、價格低廉、可再生、可降解、力學性能優良等優點。
2·晶須在環氧樹脂改性中的研究和應用
2.1增強增韌
對晶須增韌增強聚合物作用機理的研究還很少，目前，主要還是借鑒，引用晶須增韌增強陶瓷基體機理[12-14]：經過偶聯劑處理過的晶須，能夠很好地穩定分散在基體中，晶須被基體良好浸潤，界面粘結強度增大。通過這個界面，基體和晶須連成一個整體。當基體受到外力作用時，應力可以通過這個界面均勻傳遞，吸收大量能量。一方面，基體中出現裂紋時，晶須在斷開的裂紋表面橋連，可阻礙裂紋的進一步發展；另一方面，裂紋遇到晶須，要想進一步發展，就必須破壞或拔除晶須，而晶須強度高，模量高，破壞或拔除晶須需要消耗巨大的能量，而當裂紋繞過晶須，進一步發展，引發更多微裂紋。又因晶須長徑比較大，需要吸收更多能量，從而起到顯著增大EP基體強度和韌性的作用。
與無機晶須相比，纖維素晶須有獨特之處，其容易形成晶須滲流網絡，在這種網絡結構中，通過晶須間強的氫鍵作用使得應力更容易傳遞，從而起到顯著增強增韌作用[15]。
王蓉等[16]研究了不同晶須及晶須用量對復合樹脂力學性能的影響，結果表明：硼酸鋁晶須熔附二氧化硅SiO2用量為60時，雙酚F型環氧復合樹脂的性能佳，彎曲強度為79.80±2.55MPa，提高了30%，彎曲彈性模量可達3616.36±44.00MPa，提高了1.4倍。
戴靜等[17]研究了硼酸鹽晶須改性環氧樹脂性能，結果表明：不進行表面處理和以硅烷偶聯劑KH-550表面處理的硼酸鹽晶須/樹脂體系相互作用弱，力學性能沒有顯著改善；而硼酸酯偶聯劑BE3和n-BE4表面處理效果好，能顯著提高EP復合材料的力學性能；硼酸鎂晶須/樹脂體系的力學性能優于對應的樹脂/硼酸鋁晶須共混體系。劉琳等[18]研究了鈦酸鉀晶須（PTW）表面改性及增強環氧樹脂，采用表面包覆法對PTW進行包覆二氧化硅處理，并用硅烷偶聯劑KH550和KH560對包硅后的PTW進行表面改性，制備了環氧樹脂EP/PTW復合材料，考察了改性方法、晶須含量、偶聯劑種類等對復合材料拉伸強度、彎曲強度的影響。
結果表明：KH560改性后的PTW能夠較好地分散于EP中，對拉伸強度能夠起到增強作用，當PTW用量為5份時，復合材料拉伸強度達到大值45.33MPa，斷裂伸長率為3.19%，彎曲強度為171.41MPa。
Liu等[19]研究了碳酸鈣晶須增強環氧樹脂復合材料的微觀結構和彎曲性能，結果表明:復合材料的彎曲強度隨CaCO3晶須用量的增加而增加，當CaCO3晶須的用量大約為15%（質量分數，下同）時，復合材料彎曲強度達到大值，與純EP相比，提高了11%。但是，CaCO3晶須用量過多，反而會使EP復合材料的強度急劇下降。
Shao等[20]采用了一種花費少和開發材料周期短的新研究方法-有限元素分析法，從晶須長徑比，表面/體積比和界面結合狀況等幾個方面，研究了碳化硅（SiC）晶須增強EP復合材料的性能。結果表明：（1）當SiC晶須長徑比和表面/體積比增加時，承受載荷的傳遞距離增加，同時，晶須可以承受來自基體更多的軸向應力；（2）當SiC晶須長徑比增加，界面剪切應力減小。然而，當表面/體積比增加，界面剪切應力增加。此外，界面結合狀況對晶須承受軸向應力的影響要遠遠大于樹脂基體。
Tang和Weder[21]采用簡單的溶劑交換法，制備了纖維素懸浮液，代替傳統昂貴的干凍法和有損材料力學性能的延長超聲分散時間的方法，實驗表明，溶劑交換法制備的纖維素晶須長徑比較大，分散均勻，對復合材料力學性能損傷小；纖維素晶須加入到EP中，復合材料的力學性能，拉伸儲能模量，顯著增大，并指出在玻璃化溫度tg以上，性能提升更加突出。
上述研究結果都證實了：（1）晶須摻雜到EP聚合物基體中，能夠起到顯著增強增韌作用；（2）晶須的用量并不是越多越好，有一個適宜的范圍；（3）晶須在基體中能否良好分散以及良好的界面結合是決定復合材料力學性能的關鍵。
2.2提高阻尼、耐熱和阻燃性能
表面處理過的晶須加入到EP基體中，一方面，晶須界面與基體界面牢牢粘結，使得復合材料阻尼增大，高溫下鏈段運動困難，從而提高了材料熱變形溫度，有效地阻礙了高分子鏈的熱運動；另一方面，晶須較大的長徑比，在基體中形成有效導熱鏈或導熱網絡，可以很好將基體內部產生的熱量及時傳遞出去，從而提高了EP耐熱性。此外，晶須是單晶，熔點很高，可有效增強樹脂的耐熱性。
Luo等[22]研究了EP/SiC導熱復合材料的制備和性能，結果表明：基體的導熱性能隨著加入基體中的碳化硅質量分數的增加而增大。當碳化硅用量為50%時，復合材料導熱系數為0.7152W/(m·K)，此值是純EP的3倍。
Chen等[23]研究了硫酸鈣晶須摻雜蓖麻油基聚氨酯/環氧樹脂互穿網絡復合材料的阻尼性能和熱性能，結果表明：加入硫酸鈣晶須后，EP復合材料的熱分解溫度有所提高，硫酸鈣晶須的用量為3%時，復合材料的阻尼性能佳。作者在另一篇報道中[24]，介紹了添加鈦酸鉀晶須的PU/EP互穿網絡復合材料阻尼性能，結果表明：向PU/EP互穿網絡復合體系中加入鈦酸鉀晶須，復合材料的阻尼性能提高，熱穩定性進一步提高，當鈦酸鉀晶須用量為3%時，復合材料的阻尼性能好，同時材料還具有較好的熱穩定性。
金鴻等[25]研究了環氧樹脂/氧化鋅晶須（ZnOw）/氮化硼（BN）導熱絕緣復合材料，結果表明：隨著導熱填料含量的增大，EP復合材料的導熱系數增大；在填料含量相同的情況下，EP/ZnOw/BN復合材料比EP/ZnOw復合材料具有更好的導熱性能；當填料體積分數為15%時，EP/ZnOw/BN復合材料的熱導率為1.06W/(m·K)，而EP/ZnOw復合材料的熱導率僅為0.98W/(m·K)。
Wu等[26]研究了纖維素晶須/EP復合材料的熱分解和熱膨脹阻燃，研究表明：添加少量的纖維素晶須和多磷酸銨（6%），EP復合材料的極限氧指數就可以增加31%，阻燃性能可以達到V-0級，EP峰值熱釋放速率和總熱釋放速率降低。
Ma等[27]研究了四角狀氧化鋅晶須添加聚氨酯交聯環氧基樹脂/聚氨酯阻尼復合材料，結果表明：由于互穿聚合物網絡的形成，有效的阻尼溫度范圍（tanδ>0.3）明顯地從33.7℃擴大到178.8℃。四角狀氧化鋅晶須的加入，使得EP復合體系的內摩擦增大，阻尼峰大值提高到了1.44。此外，復合材料的形態研究也證明了復合體系中存在著部分相分離，均勻分散的四角狀氧化鋅晶須被緊密的植入到聚合物基體中，提高了復合材料的熱穩定性。
2.3提高耐磨損性能
Sudheer等[28]研究了用“田口法”對陶瓷晶須填加環氧樹脂復合材料干滑動磨損性能的優化，文中采用鈦酸鉀晶須（PTW）作為增強材料制備了鈦酸鉀改性環氧樹脂復合材料。作者用統計學的方法評價了幾個獨立參數A（滑動速率），B（垂直載荷），C（填料量）和D（滑動距離）對PTW晶須改性EP復合材料磨損性能的影響。結果表明：PTW晶須的加入顯著地提高了EP復合材料的耐磨損性能，同時發現，垂直載荷是影響磨損率的重要的因素，其次為填料量、滑動距離和滑動速率。
史以俊等[29]也研究了PTW晶須填充環氧樹脂復合材料的摩擦磨損特性，結果表明：PTW晶須能明顯提高EP耐磨性并降低其摩擦系數，含量w（PTW）=0.08的EP復合材料的耐磨性比純EP提高近10倍，摩擦系數降低35%。
2.4提高抗靜電性能
目前，應用于提高環氧樹脂抗靜電性多的是具有獨特三維空間結構的四針狀氧化鋅（TZnO）晶須[30]。T-ZnO晶須填充聚合物制備的高分子導電材料，與傳統導電纖維、金屬粉、碳粉具有以下優點：（1）質輕，摻雜少量即可達到良好的抗靜電效果；（2）T-ZnO晶須的輻射狀三維空間結構，易實現導電材料的各向同性；（3）與金屬粉末導電性填料相比，T-ZnO晶須不存在長期使用后由于金屬微粒表面形成氧化膜而導致導電性能下降的問題，使導電材料對環境變化的適應得到改善。
萬翠鳳等[31]研究了T-ZnO晶須表面改性及在環氧樹脂抗靜電漆中的應用，結果表明：以無水乙醇為溶劑，表面活性劑改性的具有半導體性的TZnO晶須均勻分散在環氧樹脂中，相互搭接形成導電通路而起抗靜電作用，使EP材料的體積電阻率降低了4~5個數量級。
研究人員進一步研究發現，未摻雜的氧化鋅晶須由于能隙較寬，電阻率雖較高但不穩定，如果向T-ZnO晶須中摻雜少量金屬氧化物粉末，其混合物摻雜到樹脂基體中，制備的復合材料導電性能較T-ZnO晶須單一填料摻雜到樹脂基體中的導電性能要更好。
周松等[32]研究了氧化鋁粉末摻雜氧化鋅晶須/環氧樹脂抗靜電性能，結果表明：氧化鋁摻雜TZnO晶須填充到基體中，可降低復合材料的電阻率，氧化鋁摻雜T-ZnO晶須的添加量為8%時，環氧樹脂復合材料的表面電阻率從15.3×1015Ω·cm降低到7.2×1010Ω·cm。
2.5提高粘結強度
環氧樹脂膠黏劑的粘結強度大，熱穩定性好，耐化學藥品和腐蝕性強，廣泛應用于航空，電子，化工，建筑和日常生活等領域，素有萬能膠之稱。普通的環氧樹脂主要由環氧樹脂，固化劑和增韌劑組成，但是隨著社會的發展、工業的進步，普通的環氧樹脂其性能已無法滿足更高的要求。近年來，研究人員通過對環氧樹脂添加不同填料改性，顯著提高了環氧樹脂膠黏劑的綜合性能。目前研究比較多的有近年來新發展起來的新型增強材料--晶須對環氧樹脂膠黏劑的填充改性，應用多的主要是碳酸鈣晶須、硫酸鈣晶須，這些無機晶須強度高，價格低廉，原料豐富，熱穩定性、尺寸穩定性、耐磨性優良，添加到EP粘膠劑中不但提高了EP粘結強度，而且還提高了復合材料耐熱性，尺寸穩定性等綜合性能[33]。
王德波等[33]研究了硫酸鈣晶須改性聚氨酯環氧樹脂的粘接性能，結果表明：當使用經過偶聯劑KH-560處理且長度較短（長度約為20μm）的晶須改性聚氨酯環氧樹脂時效果佳。當改性晶須的加入量為10%時，可使改性樹脂基體的室溫剪切和剝離強度分別提高5%和27%；當加入量為15%時，可使樹脂基體的高溫（100℃）剪切強度提高39%，晶須對環氧膠粘劑高溫剪切強度的改善效果顯著。
于福家等[34]研究了硫酸鈣晶須改性環氧膠粘劑，結果表明：經過硅烷偶聯劑改性的硫酸鈣晶須配制的環氧膠粘劑與目前常用的填充劑相比較，其拉伸強度相對可以提高50%~120%，剪切強度相對可以提高40%~140%；將硫酸鈣晶須與石英粉混合作為填充劑，同只用單一的硫酸鈣晶須作填充劑相比，環氧膠粘劑的拉伸強度和剪切強度又分別進一步提高17%和7%。
趙倩等[35]研究了硫酸鈣晶須在第二代環氧建筑結構膠中的應用，結果表明：硫酸鈣晶須的加入，使結構膠的流淌性降低，抗沉降性得到改善，粘接強度增大，明顯提高了粘鋼膠的剪切強度、拉伸強度和壓縮強度，植筋膠的剪切強度和壓縮強度也有一定提高。
郝娟等[36]研究了碳酸鈣晶須改性環氧樹脂膠黏劑，結果表明：其他條件保持不變的前提下，未改性CaCO3晶須可使EP膠粘劑的拉伸剪切強度提高10%~80%；對CaCO3晶須用質量分數為1%的硅烷偶聯劑進行表面處理后，可使EP膠粘劑的拉伸剪切強度提高30%~110%。CaCO3晶須是一種應用前景良好的膠粘劑用增強填料。
3·應用中存在的問題和前景
晶須在樹脂基體復合材料中應用，主要存在的問題[37-39]是：（1）晶須與樹脂界面相容性比較差，在基體中不易良好分散，尤其是高填充量時，分散不好，容易發生團聚，如何選用合適的偶聯劑的種類，用量及處理的方式，可獲得理想的處理效果；（2）加工成型過程中，可能會存在著晶須折斷，如何改進加工成型工藝，避免晶須在加工成型過程中發生折斷，獲得較長的長徑比，從而保持其優良的綜合性能；（3）晶須的研究應用在技術上要求高，涉及到物理、化學、化工、材料等學科，我國當前在一些技術方面，理論化研究工作還做的不足，缺乏理論指導；（4）目前，研究的重點在于探討晶須含量和晶須表面處理對復合材料的影響，基本上是通過實驗數據來考察其影響，沒有建立相應的理論模型，實驗缺乏可擴展性和可移植性；（5）晶須的種類還比較少，比較單一，大多數晶須尚未應用，仍處在探索階段。我國在晶須研究和應用方面與國外還存在著巨大的差距，國內尚未形成品種齊全的工業化生產能力，大量還得依賴從國外進口?；诋斍暗膰?，與傳統無機填料相比，價格還是比較昂貴，限制了其在日常生活領域的廣泛應用。
基于晶須應用中存在的問題，必須深入開展如下研究工作：
?。?）加大晶須基礎理論工作的研究，包括晶須增強的作用機理、作用形式、分散穩定性能、應用領域的擴寬等。
（2）探索晶須制備新工藝，降低晶須制備成本，促進晶須規模化生產；同時，改進晶須/聚合物復合材料的制備工藝，進一步優化工藝參數，制備性能優異的復合材料。
?。?）針對材料的實際情況，建立晶須/聚合物復合材料的理論模型,預測復合材料的性能，并與實驗數據相互推動。
?。?）由于纖維素晶須的制備過程對水介質的依賴性、水解尺寸的不穩定性以及其與聚合物混合需要在水相中進行，使得其應用主要局限在幾種水溶性聚合物上，應進一步深入研究纖維素晶須尺寸可控性、有機化改性及有機改性后在非水溶性聚合物中的應用問題，從而完善納米纖維素晶須的制備方法，擴大其在納米復合材料中的應用領域。
?。?）晶須的制備和應用，應該講究綠色環保、經濟高效、節約資源、無污染、可持續。
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關鍵詞：晶須環氧樹脂力學性能抗靜電性綜述
目前，在工業生產和實驗研究中所用到的晶須絕大多數都是指無機物晶須，有機物晶須目前品種和數量都較少，主要有纖維素晶須。晶須直徑很小，通常為亞微米到微米級，但長徑比很大。無機晶須中原子排列高度有序，結晶完整，具有高強度、高模量、低密度、耐熱、耐磨等優異性能。將晶須填充于聚合物基體中，可以顯著提高聚合物材料的綜合性能[1]。
環氧樹脂（EP）是應用廣泛的熱固性高分子材料之一，具有優良的粘結性、熱穩定性、電絕緣性、耐化學藥品性能及強度高、收縮率小、價格低廉等特點，廣泛應用于涂料、膠黏劑、輕工、建筑、機械、航天航空、電子電氣絕緣材料以及先進復合材料等各個領域。但由于環氧樹脂固化物脆性大、抗沖擊強度低、易開裂、抗靜電性差等缺點，限制了其進一步應用[2]。
許多研究結果表明，將晶須填充到環氧樹脂基體中，可以有效地解決這些缺點，大幅度提升環氧樹脂的綜合性能[3]。本文對國內外近年來有關晶須改性環氧樹脂的研究和應用情況進行了綜述。
1·晶須的種類
將根據晶須的化學結構進行分類。
1.1鈦酸鉀晶須[4,5]
鈦酸鉀（PTW）晶須是一種針狀短纖維材料，它主要有兩種形式：四鈦酸鉀（K2O·4TiO2）和六鈦酸鉀（K2O·6TiO2）。其中K2O·4TiO2化學活性很高，應用較少；而K2O·6TiO2具有優良的絕熱性、耐化學藥品性、耐磨性、低熱導率和高紅外反射率、高溫下導熱系數極低、價格較低以及硬度低等特點，應用價值大，應用也多。
1.2碳化硅晶須[4,6]
碳化硅（SiC）晶須為立方晶須，其晶型與金剛石相同，是目前晶須中硬度高、模量大、耐熱性好的晶須。它有兩種結構形式：α型和β型，其中β型硬度更高，韌性和導電性等綜合性能更好。
1.3硼酸鹽晶須[7]
工業上用的硼酸鹽晶須一般是指硼酸鋁（9Al2O3·2B2O3）晶須，它具有各向異性，機械性能和化學性能極其穩定。另外，從組成上看，Al2O3成分占比較大，因而其與金屬共價性高，具有中子吸收能力，電絕緣性、化學穩定性和耐熱性好，可用作金屬、陶瓷、纖維等增強材料。
1.4碳酸鈣晶須[8]
碳酸鈣（CaCO3）晶須是近年來新開發出來的一種新型針狀晶須，具有強度高、尺寸穩定性、耐熱性、耐磨性優良等優點，此外，制備碳酸鈣晶須原料豐富、工藝簡單、成本低、具有極高的性價比。
1.5硫酸鈣晶須[9]
硫酸鈣晶須是一種半水或無水纖維狀單晶體，具有完整結構、特定橫截面和穩定的尺寸。與其他短纖維相比，硫酸鈣晶須具有耐高溫、抗化學腐蝕、強度高、電絕緣性好、相容性好、易進行表面處理、與聚合物的親和能力強等優點。此外，硫酸鈣晶須，低毒性、綠色環保、原料豐富、價格低廉、性價比很高。
1.6氧化鋅晶須[10]
氧化鋅（ZnO）晶須按結構，可分為兩類：一維針狀氧化鋅晶須和具有三維空間結構的四針狀氧化鋅晶須。前者主要用于增強，后者由于獨特的結構，使其性能要優于一般晶須，除了用于增強，還用于提高高分子材料抗靜電性。所謂四針狀是因為，其有一個核心，從核心徑向方向伸展出四根針狀晶體，每根針狀體均為單晶體，任意兩個針狀體的夾角為109°28′。西南交通大學和沈陽化工學院已研制成功了四針狀氧化鋅的制備工藝，并投入了生產。
1.7纖維素晶須[11]
纖維素晶須主要由從植物（棉花，稻草干等），細菌，被囊類海生動物等分離出的纖維素經酸水解制得，其具有來源豐富、價格低廉、可再生、可降解、力學性能優良等優點。
2·晶須在環氧樹脂改性中的研究和應用
2.1增強增韌
對晶須增韌增強聚合物作用機理的研究還很少，目前，主要還是借鑒，引用晶須增韌增強陶瓷基體機理[12-14]：經過偶聯劑處理過的晶須，能夠很好地穩定分散在基體中，晶須被基體良好浸潤，界面粘結強度增大。通過這個界面，基體和晶須連成一個整體。當基體受到外力作用時，應力可以通過這個界面均勻傳遞，吸收大量能量。一方面，基體中出現裂紋時，晶須在斷開的裂紋表面橋連，可阻礙裂紋的進一步發展；另一方面，裂紋遇到晶須，要想進一步發展，就必須破壞或拔除晶須，而晶須強度高，模量高，破壞或拔除晶須需要消耗巨大的能量，而當裂紋繞過晶須，進一步發展，引發更多微裂紋。又因晶須長徑比較大，需要吸收更多能量，從而起到顯著增大EP基體強度和韌性的作用。
與無機晶須相比，纖維素晶須有獨特之處，其容易形成晶須滲流網絡，在這種網絡結構中，通過晶須間強的氫鍵作用使得應力更容易傳遞，從而起到顯著增強增韌作用[15]。
王蓉等[16]研究了不同晶須及晶須用量對復合樹脂力學性能的影響，結果表明：硼酸鋁晶須熔附二氧化硅SiO2用量為60時，雙酚F型環氧復合樹脂的性能佳，彎曲強度為79.80±2.55MPa，提高了30%，彎曲彈性模量可達3616.36±44.00MPa，提高了1.4倍。
戴靜等[17]研究了硼酸鹽晶須改性環氧樹脂性能，結果表明：不進行表面處理和以硅烷偶聯劑KH-550表面處理的硼酸鹽晶須/樹脂體系相互作用弱，力學性能沒有顯著改善；而硼酸酯偶聯劑BE3和n-BE4表面處理效果好，能顯著提高EP復合材料的力學性能；硼酸鎂晶須/樹脂體系的力學性能優于對應的樹脂/硼酸鋁晶須共混體系。劉琳等[18]研究了鈦酸鉀晶須（PTW）表面改性及增強環氧樹脂，采用表面包覆法對PTW進行包覆二氧化硅處理，并用硅烷偶聯劑KH550和KH560對包硅后的PTW進行表面改性，制備了環氧樹脂EP/PTW復合材料，考察了改性方法、晶須含量、偶聯劑種類等對復合材料拉伸強度、彎曲強度的影響。
結果表明：KH560改性后的PTW能夠較好地分散于EP中，對拉伸強度能夠起到增強作用，當PTW用量為5份時，復合材料拉伸強度達到大值45.33MPa，斷裂伸長率為3.19%，彎曲強度為171.41MPa。
Liu等[19]研究了碳酸鈣晶須增強環氧樹脂復合材料的微觀結構和彎曲性能，結果表明:復合材料的彎曲強度隨CaCO3晶須用量的增加而增加，當CaCO3晶須的用量大約為15%（質量分數，下同）時，復合材料彎曲強度達到大值，與純EP相比，提高了11%。但是，CaCO3晶須用量過多，反而會使EP復合材料的強度急劇下降。
Shao等[20]采用了一種花費少和開發材料周期短的新研究方法-有限元素分析法，從晶須長徑比，表面/體積比和界面結合狀況等幾個方面，研究了碳化硅（SiC）晶須增強EP復合材料的性能。結果表明：（1）當SiC晶須長徑比和表面/體積比增加時，承受載荷的傳遞距離增加，同時，晶須可以承受來自基體更多的軸向應力；（2）當SiC晶須長徑比增加，界面剪切應力減小。然而，當表面/體積比增加，界面剪切應力增加。此外，界面結合狀況對晶須承受軸向應力的影響要遠遠大于樹脂基體。
Tang和Weder[21]采用簡單的溶劑交換法，制備了纖維素懸浮液，代替傳統昂貴的干凍法和有損材料力學性能的延長超聲分散時間的方法，實驗表明，溶劑交換法制備的纖維素晶須長徑比較大，分散均勻，對復合材料力學性能損傷小；纖維素晶須加入到EP中，復合材料的力學性能，拉伸儲能模量，顯著增大，并指出在玻璃化溫度tg以上，性能提升更加突出。
上述研究結果都證實了：（1）晶須摻雜到EP聚合物基體中，能夠起到顯著增強增韌作用；（2）晶須的用量并不是越多越好，有一個適宜的范圍；（3）晶須在基體中能否良好分散以及良好的界面結合是決定復合材料力學性能的關鍵。
2.2提高阻尼、耐熱和阻燃性能
表面處理過的晶須加入到EP基體中，一方面，晶須界面與基體界面牢牢粘結，使得復合材料阻尼增大，高溫下鏈段運動困難，從而提高了材料熱變形溫度，有效地阻礙了高分子鏈的熱運動；另一方面，晶須較大的長徑比，在基體中形成有效導熱鏈或導熱網絡，可以很好將基體內部產生的熱量及時傳遞出去，從而提高了EP耐熱性。此外，晶須是單晶，熔點很高，可有效增強樹脂的耐熱性。
Luo等[22]研究了EP/SiC導熱復合材料的制備和性能，結果表明：基體的導熱性能隨著加入基體中的碳化硅質量分數的增加而增大。當碳化硅用量為50%時，復合材料導熱系數為0.7152W/(m·K)，此值是純EP的3倍。
Chen等[23]研究了硫酸鈣晶須摻雜蓖麻油基聚氨酯/環氧樹脂互穿網絡復合材料的阻尼性能和熱性能，結果表明：加入硫酸鈣晶須后，EP復合材料的熱分解溫度有所提高，硫酸鈣晶須的用量為3%時，復合材料的阻尼性能佳。作者在另一篇報道中[24]，介紹了添加鈦酸鉀晶須的PU/EP互穿網絡復合材料阻尼性能，結果表明：向PU/EP互穿網絡復合體系中加入鈦酸鉀晶須，復合材料的阻尼性能提高，熱穩定性進一步提高，當鈦酸鉀晶須用量為3%時，復合材料的阻尼性能好，同時材料還具有較好的熱穩定性。
金鴻等[25]研究了環氧樹脂/氧化鋅晶須（ZnOw）/氮化硼（BN）導熱絕緣復合材料，結果表明：隨著導熱填料含量的增大，EP復合材料的導熱系數增大；在填料含量相同的情況下，EP/ZnOw/BN復合材料比EP/ZnOw復合材料具有更好的導熱性能；當填料體積分數為15%時，EP/ZnOw/BN復合材料的熱導率為1.06W/(m·K)，而EP/ZnOw復合材料的熱導率僅為0.98W/(m·K)。
Wu等[26]研究了纖維素晶須/EP復合材料的熱分解和熱膨脹阻燃，研究表明：添加少量的纖維素晶須和多磷酸銨（6%），EP復合材料的極限氧指數就可以增加31%，阻燃性能可以達到V-0級，EP峰值熱釋放速率和總熱釋放速率降低。
Ma等[27]研究了四角狀氧化鋅晶須添加聚氨酯交聯環氧基樹脂/聚氨酯阻尼復合材料，結果表明：由于互穿聚合物網絡的形成，有效的阻尼溫度范圍（tanδ>0.3）明顯地從33.7℃擴大到178.8℃。四角狀氧化鋅晶須的加入，使得EP復合體系的內摩擦增大，阻尼峰大值提高到了1.44。此外，復合材料的形態研究也證明了復合體系中存在著部分相分離，均勻分散的四角狀氧化鋅晶須被緊密的植入到聚合物基體中，提高了復合材料的熱穩定性。
2.3提高耐磨損性能
Sudheer等[28]研究了用“田口法”對陶瓷晶須填加環氧樹脂復合材料干滑動磨損性能的優化，文中采用鈦酸鉀晶須（PTW）作為增強材料制備了鈦酸鉀改性環氧樹脂復合材料。作者用統計學的方法評價了幾個獨立參數A（滑動速率），B（垂直載荷），C（填料量）和D（滑動距離）對PTW晶須改性EP復合材料磨損性能的影響。結果表明：PTW晶須的加入顯著地提高了EP復合材料的耐磨損性能，同時發現，垂直載荷是影響磨損率的重要的因素，其次為填料量、滑動距離和滑動速率。
史以俊等[29]也研究了PTW晶須填充環氧樹脂復合材料的摩擦磨損特性，結果表明：PTW晶須能明顯提高EP耐磨性并降低其摩擦系數，含量w（PTW）=0.08的EP復合材料的耐磨性比純EP提高近10倍，摩擦系數降低35%。
2.4提高抗靜電性能
目前，應用于提高環氧樹脂抗靜電性多的是具有獨特三維空間結構的四針狀氧化鋅（TZnO）晶須[30]。T-ZnO晶須填充聚合物制備的高分子導電材料，與傳統導電纖維、金屬粉、碳粉具有以下優點：（1）質輕，摻雜少量即可達到良好的抗靜電效果；（2）T-ZnO晶須的輻射狀三維空間結構，易實現導電材料的各向同性；（3）與金屬粉末導電性填料相比，T-ZnO晶須不存在長期使用后由于金屬微粒表面形成氧化膜而導致導電性能下降的問題，使導電材料對環境變化的適應得到改善。
萬翠鳳等[31]研究了T-ZnO晶須表面改性及在環氧樹脂抗靜電漆中的應用，結果表明：以無水乙醇為溶劑，表面活性劑改性的具有半導體性的TZnO晶須均勻分散在環氧樹脂中，相互搭接形成導電通路而起抗靜電作用，使EP材料的體積電阻率降低了4~5個數量級。
研究人員進一步研究發現，未摻雜的氧化鋅晶須由于能隙較寬，電阻率雖較高但不穩定，如果向T-ZnO晶須中摻雜少量金屬氧化物粉末，其混合物摻雜到樹脂基體中，制備的復合材料導電性能較T-ZnO晶須單一填料摻雜到樹脂基體中的導電性能要更好。
周松等[32]研究了氧化鋁粉末摻雜氧化鋅晶須/環氧樹脂抗靜電性能，結果表明：氧化鋁摻雜TZnO晶須填充到基體中，可降低復合材料的電阻率，氧化鋁摻雜T-ZnO晶須的添加量為8%時，環氧樹脂復合材料的表面電阻率從15.3×1015Ω·cm降低到7.2×1010Ω·cm。
2.5提高粘結強度
環氧樹脂膠黏劑的粘結強度大，熱穩定性好，耐化學藥品和腐蝕性強，廣泛應用于航空，電子，化工，建筑和日常生活等領域，素有萬能膠之稱。普通的環氧樹脂主要由環氧樹脂，固化劑和增韌劑組成，但是隨著社會的發展、工業的進步，普通的環氧樹脂其性能已無法滿足更高的要求。近年來，研究人員通過對環氧樹脂添加不同填料改性，顯著提高了環氧樹脂膠黏劑的綜合性能。目前研究比較多的有近年來新發展起來的新型增強材料--晶須對環氧樹脂膠黏劑的填充改性，應用多的主要是碳酸鈣晶須、硫酸鈣晶須，這些無機晶須強度高，價格低廉，原料豐富，熱穩定性、尺寸穩定性、耐磨性優良，添加到EP粘膠劑中不但提高了EP粘結強度，而且還提高了復合材料耐熱性，尺寸穩定性等綜合性能[33]。
王德波等[33]研究了硫酸鈣晶須改性聚氨酯環氧樹脂的粘接性能，結果表明：當使用經過偶聯劑KH-560處理且長度較短（長度約為20μm）的晶須改性聚氨酯環氧樹脂時效果佳。當改性晶須的加入量為10%時，可使改性樹脂基體的室溫剪切和剝離強度分別提高5%和27%；當加入量為15%時，可使樹脂基體的高溫（100℃）剪切強度提高39%，晶須對環氧膠粘劑高溫剪切強度的改善效果顯著。
于福家等[34]研究了硫酸鈣晶須改性環氧膠粘劑，結果表明：經過硅烷偶聯劑改性的硫酸鈣晶須配制的環氧膠粘劑與目前常用的填充劑相比較，其拉伸強度相對可以提高50%~120%，剪切強度相對可以提高40%~140%；將硫酸鈣晶須與石英粉混合作為填充劑，同只用單一的硫酸鈣晶須作填充劑相比，環氧膠粘劑的拉伸強度和剪切強度又分別進一步提高17%和7%。
趙倩等[35]研究了硫酸鈣晶須在第二代環氧建筑結構膠中的應用，結果表明：硫酸鈣晶須的加入，使結構膠的流淌性降低，抗沉降性得到改善，粘接強度增大，明顯提高了粘鋼膠的剪切強度、拉伸強度和壓縮強度，植筋膠的剪切強度和壓縮強度也有一定提高。
郝娟等[36]研究了碳酸鈣晶須改性環氧樹脂膠黏劑，結果表明：其他條件保持不變的前提下，未改性CaCO3晶須可使EP膠粘劑的拉伸剪切強度提高10%~80%；對CaCO3晶須用質量分數為1%的硅烷偶聯劑進行表面處理后，可使EP膠粘劑的拉伸剪切強度提高30%~110%。CaCO3晶須是一種應用前景良好的膠粘劑用增強填料。
3·應用中存在的問題和前景
晶須在樹脂基體復合材料中應用，主要存在的問題[37-39]是：（1）晶須與樹脂界面相容性比較差，在基體中不易良好分散，尤其是高填充量時，分散不好，容易發生團聚，如何選用合適的偶聯劑的種類，用量及處理的方式，可獲得理想的處理效果；（2）加工成型過程中，可能會存在著晶須折斷，如何改進加工成型工藝，避免晶須在加工成型過程中發生折斷，獲得較長的長徑比，從而保持其優良的綜合性能；（3）晶須的研究應用在技術上要求高，涉及到物理、化學、化工、材料等學科，我國當前在一些技術方面，理論化研究工作還做的不足，缺乏理論指導；（4）目前，研究的重點在于探討晶須含量和晶須表面處理對復合材料的影響，基本上是通過實驗數據來考察其影響，沒有建立相應的理論模型，實驗缺乏可擴展性和可移植性；（5）晶須的種類還比較少，比較單一，大多數晶須尚未應用，仍處在探索階段。我國在晶須研究和應用方面與國外還存在著巨大的差距，國內尚未形成品種齊全的工業化生產能力，大量還得依賴從國外進口?；诋斍暗膰?，與傳統無機填料相比，價格還是比較昂貴，限制了其在日常生活領域的廣泛應用。
基于晶須應用中存在的問題，必須深入開展如下研究工作：
?。?）加大晶須基礎理論工作的研究，包括晶須增強的作用機理、作用形式、分散穩定性能、應用領域的擴寬等。
（2）探索晶須制備新工藝，降低晶須制備成本，促進晶須規模化生產；同時，改進晶須/聚合物復合材料的制備工藝，進一步優化工藝參數，制備性能優異的復合材料。
?。?）針對材料的實際情況，建立晶須/聚合物復合材料的理論模型,預測復合材料的性能，并與實驗數據相互推動。
?。?）由于纖維素晶須的制備過程對水介質的依賴性、水解尺寸的不穩定性以及其與聚合物混合需要在水相中進行，使得其應用主要局限在幾種水溶性聚合物上，應進一步深入研究纖維素晶須尺寸可控性、有機化改性及有機改性后在非水溶性聚合物中的應用問題，從而完善納米纖維素晶須的制備方法，擴大其在納米復合材料中的應用領域。
?。?）晶須的制備和應用，應該講究綠色環保、經濟高效、節約資源、無污染、可持續。
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