第一章 溶胶-凝胶原理及技术(前沿).ppt

溶胶（Sol）是由孤立的细小粒子或大分子组成，分散在溶液中的胶体体系。 当液相为水时称为水溶胶（Hydrosol）;当为醇时称为醇溶胶（alcosol）。 凝胶（Gel）是一种由细小粒子聚集而成三维网状结构的具有固态特征的胶态体系，凝胶中渗有连续的分散相介质。 按分散相介质不同可分为水凝胶（Hydrogel）、醇凝胶（alcogel）和气凝胶（aerogel）。 沉淀物（precipitate）由孤立粒子聚集体组成而区别于凝胶。 图1 溶胶、凝胶和沉淀物的区分 （4）第四步是凝胶的干燥。 　　湿凝胶内包裹着大量溶剂和水，干燥过程往往伴随着很大的体积收缩，因而很容易引起开裂，防止凝胶在干燥过程中至关重要而又较为困难的一环，特别对尺寸较大的块状材料，为此需要严格控制干燥条件，或添加控制干燥的化学添加剂，或采用超临界干燥技术。 凝胶的一般干燥过程 湿凝胶的一般干燥过程或以观察到三个现象： A）持续的收缩与硬化； B）产生应力； C）破裂。 湿凝胶在初期干燥过程中，因有足够的液相填充于凝胶孔中，凝胶体积的减少与蒸发了的液体的体积相等，无毛细力起作用。当进一步蒸发使凝胶体积减少量小于蒸发掉的液体体积时，此时 图2 湿凝胶干燥过程中的毛细管力 液相在凝胶孔中形成弯月面，使凝胶承受一个毛细管压力，将颗粒挤压在一起。如图2所示。 （5）最后对干凝结胶进行热处理。 　　其目的是消除干凝胶中的气孔，使制品的相组成和显微结构能满足产品性能要求。在热处理时发生导致凝胶致密化的烧结过程，由于凝胶的高比表面积、高活性，其烧结温度比通常的粉料坯体低数百度，采用热压烧结等工艺可以缩短烧结时间，提高制品质量。 2.工业上常用的机械分散法： 　　使用特殊的“胶体磨”将粗分散程度的悬浮液通过研磨而制成溶胶。实验室常用“胶溶法”将固体分散而制备溶胶。以无机物作为源物质，在溶液中进行化学反应而生成固体沉淀物，新生成的固体沉淀物在适当的条件下能重新分散而达到胶体分散程度的现象称为胶溶作用。再用某种方法促使胶体失去流动性，变成弹性固体状态的凝胶体。这种方法也可以称为“溶液-溶胶-凝胶”法。 优点： 　　是化学过程比较简单、原料成本低、烧结后无有机残渣； 缺点： 　　是需要对胶体沉淀物长时间连续清洗后才能制得凝胶，因而制备周期比较长、可能会造成一定的原料损失。 1990年Sangeeta.D等人以ZrO(NO3)2为源物质，采用这种溶胶-凝胶方法成功的制备了4~6nm的ZrO2粉体，其主要反应如式1-1所示。 ZrO(NO3)2＋H2O＋2NH3→ZrO2＋2NH4NO3 （1-1） 　　他们在制备ZrO2凝胶过程中加入了一种表面活性剂，并在溶胶-凝胶转变过程中施加超声波作用，成功地阻止了颗粒的团聚。 　　1983年，Cobe等人以无机盐FeCl2和FeCl3作为源物质，采用上述溶胶-凝胶方法也成功制备出了3~5nm的Fe3O4磁性超细粉体。 五、溶胶-凝胶法的特点 溶胶-凝胶法：是一种可以制备从零维到三维材料的全维材料湿化学制备反应方法。 该法的主要特点：利用是用液体化学试剂(或将粉状试剂溶于溶剂中)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，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，而不是机械脱水，在溶胶或凝胶状态下即可成型为所需制品，在低于传统烧成温度下烧结。 （1）该方法的最大优点是制备过程温度低。 通过简单的工艺和低廉的设备，即可得到比表面积很大的凝胶或粉末，与通常的熔融法或化学气相沉积法相比，锻烧成型温度较低，并且材料的强度韧性较高。烧成温度比传统方法约低400~500℃，因为所需生成物在烧成前已部分形成，且凝胶的比表面积很大。利用Sol-Gel制备技术在玻璃和陶瓷方面可以制得一些传统方法难以得到或根本无法制备的材料，材料制备过程易于控制。在相图中用制备一般玻璃的熔融法将产生相分离的区域，用溶胶-凝胶法却可以制得多组分玻璃，不会产生液相分离现象。 1.溶胶-凝胶法的优点 （2）溶胶-凝胶法增进了多元组分体系的化学均匀性。 若在醇溶胶体系中，液态金属醇盐的水解速度与缩合速度基本上相当，则其化学均匀性可达分子水平。在水溶胶的多元组分体系中，若不同金属离子在水解中共沉积，其化学均匀性可达到原子水平。由于Sol-Gel工艺是由溶液反应开始的，从而得到的材料可达到原子级、分子级均匀。这对于控制材料的物理性能及化学性能至关重要。通过计算反应物的成分可以严格控制最终合成材料的成分，这对于精细电子陶瓷材料来