溶胶-凝胶法在材料领域的应用.docx

溶胶－凝胶法在材料领域的应用摘要溶胶－凝胶法是一种条件温和的材料制备方法，本文简述了溶胶－凝胶法的基本原理，总结了溶胶－凝胶技术发展现状，着重介绍了溶胶技术在制备块状、纤维、涂层和薄膜、超细粉末及复合材料方面的应用现状。关键词溶胶－凝胶法，应用，材料制备ABSTRACT Sol-gel method is a method for material preparation under mild condition. This paper describes briefly basic principles of Sol-Gel method, and reviews its recent development, especially its current application in the preparation of monolith, fiber, coating and film, powder and composite.KEYWORDS Sol-Gel method, application, material preparation1 引言溶胶－凝胶法是制备材料的湿化学方法中新兴起的一种方法，其初始研究可追溯到1846年，J.J.Ebelmen[1]SiCl4与乙醇混合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶，制备了单一氧化物(SiO2)，但未引起注意。20世纪30年代W.Geffcken[2]利用金属醇盐水解和胶凝化制备出了氧化物薄膜，从而证实了这种方法的可行性，但直到1971年德国联邦学者H.Dislich[3]利用溶胶-凝胶法成功制备出SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃之后，溶胶－凝胶法才引起科学界的广泛关注，并得到迅速发展，这被认为是溶胶－凝胶技术的真正开端。1975年B.E.Yoldas[4]和M.Yamane[5]等仔细地将凝胶干燥，制得了整块陶瓷材料以及多孔透明氧化铝薄膜。80年代以来，溶胶－凝胶法开始被广泛应用于铁电材料、超导材料、冶金粉末、陶瓷材料、薄膜的制备及其它材料的制备等，尤其是传统方法难以制备的复合氧化物材料，高Tc氧化物超导材料的合成中均得到成功的应用。在一类新的无机材料－磷酸盐体系－化学结合键材料中也采用溶胶－凝胶法合成。可以认为，溶胶－凝胶法已经成为无机材料合成中的一个独特的方法，必将日益得到有效的利用[6]。2溶胶－凝胶法的基本原理2.1 几个相关概念胶体（colloid）是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～1000nm之间。凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间[7]。2.2 溶胶－凝胶法的基本原理溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料[8]。表1 溶胶与凝胶的结构比较Tab 1 The structure comparison between sol and gel溶胶无固定形状固相粒子自由运动凝胶固定形状固相粒子按一定网架结构固定不能自由移动其基本反应如下：(1)、溶剂化：能电离的前驱物——金属盐的金属阳离子Mz+吸引水分子形成溶剂单元 M(H2O)为保持它的配位数而具有强烈的释放H+的趋势。M(H2O)→M(H2O)n-1(OH)z-1+H+(2)、水解反应：非电离式分子前驱物，如金属醇盐M(OR)n (n为金属M的原子价，R代表烷基)，与水反应。M(OR)n＋xH2O=M(OH)x(OR)n-x＋xROH反应可延续进行，直至生成M(OH)n。(3)、缩聚反应:按其所脱去分子种类，可分为两类。A)失水缩聚：－M－OH+HO－M－=－M－O－M－+H2OB)失醇缩聚：－M－OR+HO－M－=－M－O－M－+ROH2.3溶胶－凝胶法的特点：溶胶－凝胶法是湿化学反应方法之一，其特点是用液体化学试剂 (或将粉状试剂溶于溶剂)或溶胶为原料，而不是用传统的粉状物体，反应物在液相下均匀混合并进行反应。反应生成物是稳定的溶胶体系，不应有沉淀发生，经放置一定时间转变为凝胶。其中含有大量液相。需借助蒸发除去液体介质，而不是用机械脱水。在溶胶或凝胶状态下即可成型为所需的制品，再在较低于传统烧成的温度下烧结。与传统烧结法相比溶胶－凝胶法的优点