溶胶-凝胶法制备陶瓷粉体(王俊鹏).ppt

1、溶胶凝胶法 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。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。 2、溶胶凝胶法基本原理 溶胶－凝胶法的主要步骤为将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入其他组分，在一定温度下反应形成凝胶，最后经干燥处理制成产品 2.1水解反应 ??? 金属盐在水中的性质受金属离子半径，电负性，配位数等因素影响，如Si、Al盐，它们溶解于纯水中常电离出Mn+，并溶剂化[3]。水解反应平衡关系随溶液的酸度，相应的电荷转移量等条件的不同而不同。有时电离析出的Mn+又可以形成氢氧桥键合。??? 水解反应：M(OR)n ＋ H2O → M (OH)x(OR)n-x ＋ xROH 2.2聚合反应 －M－OH ＋ HO－M－ → －M－O－M－+H2O ； －M－OR + HO－M－ → －M－O－M－+ROH 。 3 溶胶－凝胶法工艺过程 在Sol-Gel的全过程中，金属醇盐、溶剂、水及催化剂组成均相溶液，由水解缩聚而形成均相溶胶；进一步陈化成为湿凝胶；经过蒸发除去溶剂或蒸发分别得到气凝胶或干凝胶，后者经烧结得到致密的陶瓷体。同时，均相溶胶可以在不同衬底上涂膜，经过焙烧等热处理得到均匀致密的薄膜；也可以拉丝，得到玻璃纤维；以及均相溶胶经不同方式处理得到粉体。 3.1? 均相溶液的制备 这一步是制取包含醇盐和水的均相溶液，以确保醇盐的水解反应在分子级水平上进行。由于金属醇盐在水中的溶解度不大，一般用醇做溶剂，因为醇与醇盐溶液互溶，也跟水互溶，所以醇的加入量应适当，否则可能落入三元不混溶区。因为醇是醇盐水解产物，对水解反应有抑制作用，为保证起始溶液均匀性，对配置的混合液必须施以搅拌。为防止反应过程中易挥发组分散失，造成组成变化，一般需加回流冷凝装置 3.2? 溶胶的制备 一般将制备溶胶的方法分为聚合法和颗粒法。对醇盐来说，这两种方法的区别在于加水量的多少。在溶胶－凝胶法中，最终产品的结构在溶液中以初步形成，后续工艺与溶胶的性质直接相关，因此溶胶的质量是十分重要的。醇盐的水解和缩聚反应使均相溶液转变为溶胶，显然控制醇盐水解缩聚的条件是制备高质量溶胶的前提。影响溶胶质量的因素主要有加水量、催化剂种类、溶液pH值、水解温度，醇盐品种以及在溶液中的浓度和溶剂效应等。 3.3? 凝胶化过程 溶胶向凝胶的转变过程，即聚合反应形成的聚合物或粒子聚集体长大为小粒子簇，逐渐相互连接成三维网络结构，最后凝胶硬化。因此可以把凝胶化过程视为两个大的粒子簇组成的一个横跨整体的簇，形成连续的固体网络。在不同介质中陈化时，凝胶的干缩结构也不同。在陈化过程中，胶体粒子逐渐聚集形成网络结构。但这种聚集和粒子团聚成沉淀完全不同。形成凝胶时，由于液相被包裹于固相骨架中，整个体系失去流动性，同时胶体粒子逐渐形成网络结构，并带有明显的触变性 3.4? 凝胶的干燥 湿凝胶干燥时，表观上表现为收缩、硬固，产生应力，最后可能导致凝胶开裂。这是因为湿凝胶中包裹着大量水分，有机基团和有机溶剂。同时在干凝胶中留下大量开口和闭口气孔，这些孔将影响以后的烧结。使凝胶开裂的应力主要来自于凝胶骨架空隙中液体的表面张力所引起的毛细管力，它使凝胶颗粒重排，体积收缩。 3.5? 干凝胶的热处理 热处理的目的是消除干凝胶中的气孔，使制品的相组成和显微结构满足产品性能的要求。在加热过程中，干凝胶先在低温下脱去吸附在表面的水和醇，260－300 ℃发生 －OR基氧化，300 ℃以上则脱去结构中的－OH基。由于热处理伴随有较大的体积收缩，各种气体（CO2、H2O、ROH）的释放，加上－OR基在非充分氧化时还可能碳化成碳质颗粒，所以升温速率不宜过快。??? 凝胶经干燥，烧结转变成固体材料的过程是溶胶－凝胶法的重要步骤，由多孔疏松凝胶转变成致密玻璃至少有4个历程：毛孔收缩，缩合－聚合，结构弛豫和粘滞烧结。近年来，人们通过各种表征手段也研究了凝胶向材料转变过程中热力学和动力学行为以及结构变化 4? 应? 用 ??? 由于溶胶－凝胶技术在控制产品的成分及均匀性方面具有独特的优越性，近年来已用该技术制成LiTaO2、LiNbO2、PbTiO3、Pb(ZrTi)O3、BaTiO3等各种电子陶瓷材料。特别是制备出形状各异的超导薄膜、高温超导纤维等。 溶胶凝胶的优点 纳米粉体的制备方法中，溶胶－凝胶法具有独特的优点。其反应中各组分的混合在分子间进行，因而产物的粒径小、均匀性高;反应过程易于控制，可得到一些用其他方法难以得到的产物；另外，反应是在低温下进行，避免了高温杂相的出现，因而产物的纯度较高。