溶胶凝胶法制备二氧化硅薄膜 ppt课件
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材料合成与制备第一章溶胶——凝胶法ppt课件
调节PH值或 加入电解质中和 微粒表面电荷
缩聚反应
凝胶
减压蒸发
不 同 溶 胶 — 凝 胶 过 程 中 凝 胶 的 形 成
1.过溶程胶温度—较凝低 胶合成工艺的优点
2.增进了多元组份体系的化学均匀性 3.过程易控制，可以实现过程的完全而精确控制，
可以调控凝胶的微观结构。
4.掺杂范围广泛，化学计量准确。 5.薄膜制备方法，Sol-Gel工艺更显出了独特的优越
法 的
4.复 合 材 料 的 制 备
适 用
5.超 细 粉 体 材 料 的 制 备
范 围
6.薄 膜 和 涂 层 材 料 的 制 备
1.3溶胶—凝胶合成工艺
传统胶体型
三种工艺机制 无机聚合物型 络合物型
1.3凝胶—溶胶合成工艺
(1)传统胶体型。通过控制溶液中金属离子的沉 淀过程，使形成的颗粒不团聚成大颗粒而沉淀 得到稳定均匀的溶胶，再经过蒸发得到凝胶。
比表面积：单位体积分散相的总表面积
s
s v
双电层与ζ电位
• 固液之间发生的相对移动的实际分界面， 即滑动面，滑动面上的电位即ζ电位。
• 双电层的结构示意图
颗粒间的范德华力
Hamaker假设粒子间的相互作用等于组成它们 的各分子之间的相互作用的加合，对于俩个彼 此平行的平板粒子，单位面积的相互作用能为
溶胶——凝胶合成方法原理
1.胶体（Golloid）一种分散相粒径介于 1 0 9 ~
1 0 7 m的分散体系，分散相粒子的质量可以忽略
不计，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。
电学性质：电泳（在外电场的作用下，胶体分散 体系中的溶胶粒子向阴极定向迁移的现象。）
原因：胶体粒子带电
溶胶凝胶法制备二氧化硅薄膜资料讲解
SiO2制备方法
采用溶胶凝胶法 以硅醇盐或硅卤化物为原料, 以醇作为共熔
剂, 加入酸或碱溶液作为催化剂, 通过硅醇盐 或硅卤化物的水解、缩聚, 形成SiO2 凝胶.采 用正硅酸乙酯( TEOS) 为原料, 典型的Sol- Gel 法( 一步法) 反应为 Si(OC2H5)4+ 4H2O ——Si(OH)4+4C2H5OH
制造超细颗粒及微球体。溶胶-凝胶法制微粉通常从喷嘴或超声 分离装置中喷出溶胶,而后在一定气氛中对微溶胶液滴进行凝胶化 处理。这一方法可对金属盐和金属醇盐的各种先驱体进行工业化 处理,由于反应对象仅仅是水, 引入杂质的可能性小，故溶胶-凝胶 法制备的超细颗粒有粒度细单分散性好,纯度高及重复性好等特点。
流程
化学过程
溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分 散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性 单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶， 进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过 干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材 料。
特点
溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独 特的优点：
1)由于溶胶-凝胶法中所用的原料首先被分 散到溶剂中而形成低粘度的溶液, 因此, 就可 以在很短的时间内获得分子水平的均匀性, 在形成凝胶时, 反应物之间很可能是在分子 水平上被均匀地混合;
制备陶瓷涂层薄膜，如Al2O3涂层 制备陶瓷 ，如纤维SiO2纤维: 其基本原料是Na2 SiO3 制得的聚硅酸,
但是由于聚硅酸的多官能团性,水解缩合时易成为体型结构,为了 得到线型缩合物,必须将其部分酯化后再进行缩合。其方法是将 Na2 SiO3 溶液加入HCl再用T HF萃取分离得到硅酸的THF溶液,然后 加入醇类进行酯化。酯化度( DE )约为50%的聚硅酸酯有利于制得 线型缩合物。当浓度和分子量达到一定范围时,溶胶显示可纺性。 目前,由聚硅酸乙酯( DE= 50% )通过溶胶-凝胶法得到的先驱体溶胶 纺丝再进行热处理到900℃ ,制得连续SiO2 纤维已经工业化生产, 强度约6GPa ,模量约70 GPa ,最高使用温度为1100℃。
溶胶凝胶法制备二氧化硅薄膜ppt课件
溶胶凝胶法简介 溶胶凝胶法制备二氧化硅薄膜过程 结果分析 影响纳米二氧化硅品质的因素 溶胶-凝胶法的其他合成实例
2
精选ppt
溶胶凝胶法介绍
什么是溶胶凝胶法？ 化学过程 应用领域
3
精选ppt
溶胶凝胶法介绍
溶胶是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中,并 且不停的进行布朗运动的体系。根据粒子与溶剂 相互作用的强弱,通常将溶胶分为亲液型和憎液型 两类。由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高, 溶胶是热力学不稳定体系。若无其它条件限制,胶 粒倾向于自发凝聚。达到低比表面状态。若上述 过程为可逆,则称为絮凝; 若不可逆,则称为凝胶化。
其他应用例举
制造超细颗粒及微球体。溶胶-凝胶法制微粉通常从喷嘴或超声 分离装置中喷出溶胶,而后在一定气氛中对微溶胶液滴进行凝胶化 处理。这一方法可对金属盐和金属醇盐的各种先驱体进行工业化
处理,由于反应对象仅仅是水, 引入杂质的可能性小，故溶胶-凝胶 法制备的超细颗粒有粒度细单分散性好,纯度高及重复性好等特点。
制备步骤
将46. 5 g 正硅酸乙酯( T EOS ) , 90 ml 无水乙 醇及10 ml 0. 1 M 盐酸及一定数量的硅烷偶 联剂均匀混合后, 在55℃下恒温水解6 h 得 均匀透明的溶胶, 然后加热蒸发得凝胶, 凝胶 在80℃恒温下烘干17 h 得白色粉体, 破碎、 筛分, 全部通过- 400 目后密封保存。
流程
5
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化学过程
溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分 散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性 单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶， 进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过 干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材 料。
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特点
2
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溶胶凝胶法介绍
什么是溶胶凝胶法？ 化学过程 应用领域
3
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溶胶凝胶法介绍
溶胶是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中,并 且不停的进行布朗运动的体系。根据粒子与溶剂 相互作用的强弱,通常将溶胶分为亲液型和憎液型 两类。由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高, 溶胶是热力学不稳定体系。若无其它条件限制,胶 粒倾向于自发凝聚。达到低比表面状态。若上述 过程为可逆,则称为絮凝; 若不可逆,则称为凝胶化。
其他应用例举
制造超细颗粒及微球体。溶胶-凝胶法制微粉通常从喷嘴或超声 分离装置中喷出溶胶,而后在一定气氛中对微溶胶液滴进行凝胶化 处理。这一方法可对金属盐和金属醇盐的各种先驱体进行工业化
处理,由于反应对象仅仅是水, 引入杂质的可能性小，故溶胶-凝胶 法制备的超细颗粒有粒度细单分散性好,纯度高及重复性好等特点。
制备步骤
将46. 5 g 正硅酸乙酯( T EOS ) , 90 ml 无水乙 醇及10 ml 0. 1 M 盐酸及一定数量的硅烷偶 联剂均匀混合后, 在55℃下恒温水解6 h 得 均匀透明的溶胶, 然后加热蒸发得凝胶, 凝胶 在80℃恒温下烘干17 h 得白色粉体, 破碎、 筛分, 全部通过- 400 目后密封保存。
流程
5
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化学过程
溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分 散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性 单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶， 进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过 干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材 料。
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特点
溶胶凝胶法PPT课件
溶胶－凝胶法的缺陷
原料成本较高 存在残留小孔洞 存在残留的碳 较长的反应时间 有机溶剂对人体有一定的危害性
溶胶－凝胶法的未来
1994年7月在美国加利福尼亚的圣地亚哥举 行的关于Sol－Gel光子学的会议上，展示了 三种很有前途的产品： 1. 西班牙的D.Levy小组演示了液晶显示器。 2. 爱尔兰的B.D.MacCraith发明的光纤传感器。 3. 法国的J.Livage制备的生物寄生检测器。
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。
溶胶－凝胶法的基本概念
简单的讲，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。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。
80年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料以 及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用。
溶胶－凝胶法的基本原理
溶剂化： M(H2O)nz+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H+ 水解反应： M(OR)n+xH2O=M(OH)x(OR)n-x+xROH------M(OH)n 缩聚反应 失水缩聚：-M-OH+HO-M-=-M-O-M-+H2O 失醇缩聚：-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH
溶胶－凝胶法的应用
－功能材料中制备纤维
Si(OCH3)4 C2H5OH
H2O,HCl
溶胶凝胶法制备SiO2凝胶-材料合成化学课件PPT
siosio22主要内容主要内容复合材料的合成二氧化硅基发光材料简介二氧化硅基发光材料简介自从在锗硅玻璃光纤波导中发现紫外光写bragg光栅效应以来在如何将这一发现应用到光电子器件方面已取得巨大的进展
溶胶(róngjiāo)凝胶法制 备SiO2凝胶
第一页，共43页。
主要(zhǔyào)内容 • 二氧化硅(èr yǎng huà guī)基发光材料简
第二十三页，共43页。
(3) 老化：将凝胶完全浸入液体中放置一段时间（几小 时到几天）。在此过程中，局部液态区缩聚反应仍在继 续，粒子间界变厚，孔率下降，凝胶体强度增加。
(4) 干燥：此过程是在100-180°C 除去网络孔中的液 体。如果(rúguǒ)网孔较小(<20nm)，将产生很大的毛细 应力，易使凝胶无规开裂。该应力可通过第一步时控制 水 解和缩聚速度以获得单分散孔径而消除。
第三页，共43页。
由于大多晶体和非晶SiO2 中具有相同的短 程序，以前对SiO2 中色心的研究都基于(jīyú) 一个简单化的模型，即假设除了有随机取向存 在外，玻璃态和晶态SiO2中的缺陷中心是相似 的。但后来的研究表明，在非晶中还必须考虑 其它重要的因素，如非均匀性展宽、交互相关 效应和玻璃态中存在其特有的缺陷[4]。
第二十四页，共43页。
(5) 脱氢：消除表面(biǎomiàn)Si－OH 键可以获得化学稳 定的多孔SiO2 固体。该过程需在500-800°C 进行热处理。 (6) 致密化：在高温下进行热处理可以消除孔洞，使固体 致密化。处理温度通常需1000°C 以上。
关于溶胶凝胶详细(xiángxì)过程的评述可参看文 献[15]。
第五页，共43页。
由于空间位阻效应的存在，悬键型缺陷(quēxiàn) 不能在石英晶体中存在，因此研究这类缺陷 (quēxiàn)的晶体-非晶相似性几乎毫无意义。此类 缺陷(quēxiàn)只能在SiO2 气凝胶这种具有高比表 面的材料中以表面缺陷(quēxiàn)存在。因此研究多 孔SiO2 的光学性质对深入了解此类缺陷(quēxiàn) 及探索其应用有重要意义。
溶胶(róngjiāo)凝胶法制 备SiO2凝胶
第一页，共43页。
主要(zhǔyào)内容 • 二氧化硅(èr yǎng huà guī)基发光材料简
第二十三页，共43页。
(3) 老化：将凝胶完全浸入液体中放置一段时间（几小 时到几天）。在此过程中，局部液态区缩聚反应仍在继 续，粒子间界变厚，孔率下降，凝胶体强度增加。
(4) 干燥：此过程是在100-180°C 除去网络孔中的液 体。如果(rúguǒ)网孔较小(<20nm)，将产生很大的毛细 应力，易使凝胶无规开裂。该应力可通过第一步时控制 水 解和缩聚速度以获得单分散孔径而消除。
第三页，共43页。
由于大多晶体和非晶SiO2 中具有相同的短 程序，以前对SiO2 中色心的研究都基于(jīyú) 一个简单化的模型，即假设除了有随机取向存 在外，玻璃态和晶态SiO2中的缺陷中心是相似 的。但后来的研究表明，在非晶中还必须考虑 其它重要的因素，如非均匀性展宽、交互相关 效应和玻璃态中存在其特有的缺陷[4]。
第二十四页，共43页。
(5) 脱氢：消除表面(biǎomiàn)Si－OH 键可以获得化学稳 定的多孔SiO2 固体。该过程需在500-800°C 进行热处理。 (6) 致密化：在高温下进行热处理可以消除孔洞，使固体 致密化。处理温度通常需1000°C 以上。
关于溶胶凝胶详细(xiángxì)过程的评述可参看文 献[15]。
第五页，共43页。
由于空间位阻效应的存在，悬键型缺陷(quēxiàn) 不能在石英晶体中存在，因此研究这类缺陷 (quēxiàn)的晶体-非晶相似性几乎毫无意义。此类 缺陷(quēxiàn)只能在SiO2 气凝胶这种具有高比表 面的材料中以表面缺陷(quēxiàn)存在。因此研究多 孔SiO2 的光学性质对深入了解此类缺陷(quēxiàn) 及探索其应用有重要意义。
溶胶凝胶法制备薄膜及涂层材料PPT课件
材料
Al2O3 La2O3-Al2O3 ZrO2(Y2O3)-Al2O3
MgO-ZrO2 Y2O3-ZrO2
主盐
Al(NO3)3、La(NO3)3、 Al(NO3)3
、ZrOCl2、Y(NO3)3
ZrOCl2 、Mg(NO3)2、 Y(NO3)3
沉淀剂
成膜促进剂
NH4OH H2C2O4
聚乙烯醇（PVA）
7.1 溶胶－凝胶法制备薄膜的工艺特征
• 7.1.1反应体系的确定 • 考虑因素 • (1)以当前先进功能烧结陶瓷主成分为依据选择
相应的无机前驱体； • (2)合成初期的化学现象具有代表性； • (3)涉及单组分和多组分氧化物。
反应体系的组成如表7-1所示。
第1页/共96页
表7-1 反应体系的组成
(4)磷酸盐系列
Ca10(OH)2(PO4)6、 (Ca，Mg)Zr4(PO4 )6
第3页/共96页
7.1.1.2 成膜促进剂的作用和组成原则
• 在薄膜与涂成的制备过程中，成膜促进剂主要 起到以下作用：
• (1)起到高分子的位阻作用。 • (2)延缓溶剂挥发作用。 • (3)带不同长度支链和极性基团的高分子对最终
Na2 K2O CaO O
<0.2 <0.2 3.8 0.4 0.6 0.4 4.7 6.4 0.5 0.9
49.2
0.2 <0.1
72~73
13.5~14.0
71.5~73.0 13. 5~15.0
71.5~73.0 13.0~14.5
7.5~9.5
6.5~ 8.5
6.5~8.5
MgO
8.5 BaO 2.2 BaO 25.0 3.5~4.0 3.5~4.5 3.5~4.5
溶胶凝胶法PPT演示课件
• 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。
2020/5/24
5
一、溶胶---凝胶法的发展 二、溶胶一凝胶法的基本原理 三、溶胶一凝胶法工艺过程 四、在制备材料方面的应用 五、展望
2020/5/24
6
二、溶胶一凝胶法的基本原理
sol-gel法制备薄膜涂层的基本原理是：将金属醇 盐或无机盐作为前驱体，溶于溶剂（水或有机溶 剂）中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或 醇解反应，反应生成物聚集成几个纳米左右的粒 子并形成溶胶，再以溶胶为原料对各种基材进行 涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干 凝胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的 涂层。
(1)有机醇盐水解法 (2)无机盐水解法
此外还有：
2020/5/24
13
（3）熔融-淬冷法
熔融-淬冷法是以无机氧化物作为前驱物，加 热至完全熔融状态，然后迅速将其急淬于冷 水中并快速搅拌均匀，通过无机氧化物粒子 迅速溶解并进而聚集成胶体粒子溶胶化而形 成溶胶。
（4）离子交换法
该方法通常可分为3个步骤：活性硅酸制备， 胶粒增长和稀硅溶胶浓缩。
2020/5/24
3
➢20世纪70 年代，sol-gel技术被成功地应用于 制备块状多组分凝胶玻璃，得到材料界研究 者的广泛关注并获得迅速发展。
➢20 世纪80年代以来，sol-gel技术进入了发展 的高峰时期。
2020/5/24
4
基本概念
• 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 1～100nm之间。
9
（2）无机盐的溶胶－凝胶原理： 首先获得溶胶的前驱体溶液，再经水解来制得。
2020/5/24
5
一、溶胶---凝胶法的发展 二、溶胶一凝胶法的基本原理 三、溶胶一凝胶法工艺过程 四、在制备材料方面的应用 五、展望
2020/5/24
6
二、溶胶一凝胶法的基本原理
sol-gel法制备薄膜涂层的基本原理是：将金属醇 盐或无机盐作为前驱体，溶于溶剂（水或有机溶 剂）中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或 醇解反应，反应生成物聚集成几个纳米左右的粒 子并形成溶胶，再以溶胶为原料对各种基材进行 涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干 凝胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的 涂层。
(1)有机醇盐水解法 (2)无机盐水解法
此外还有：
2020/5/24
13
（3）熔融-淬冷法
熔融-淬冷法是以无机氧化物作为前驱物，加 热至完全熔融状态，然后迅速将其急淬于冷 水中并快速搅拌均匀，通过无机氧化物粒子 迅速溶解并进而聚集成胶体粒子溶胶化而形 成溶胶。
（4）离子交换法
该方法通常可分为3个步骤：活性硅酸制备， 胶粒增长和稀硅溶胶浓缩。
2020/5/24
3
➢20世纪70 年代，sol-gel技术被成功地应用于 制备块状多组分凝胶玻璃，得到材料界研究 者的广泛关注并获得迅速发展。
➢20 世纪80年代以来，sol-gel技术进入了发展 的高峰时期。
2020/5/24
4
基本概念
• 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 1～100nm之间。
9
（2）无机盐的溶胶－凝胶原理： 首先获得溶胶的前驱体溶液，再经水解来制得。
第二章溶胶凝胶法ppt课件(2024版)
25
醇-金属醇盐体系的缩聚反应
M(OR)n+xH2OM(OH)x(OR)n-x+xROH -M-OH + HO-M- -M-O-M- + H2O -M-OH + RO-M- -M-O-M- +ROH
S ( O i ) 4 S H ( O i ) 4 H ( O ) 3 S H O iS ( O i ) 3 H
光源
凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥
丁达尔效应示意图
2
2. 溶胶(sol) 具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了 1~100nm粒子(基本单元)。
溶胶的特点： （1）溶胶不是物质而是一种“状态”
3
（2）溶胶与溶液的相似之处 溶质+溶剂→溶液 分散相+分散介质→溶胶(分散系)
分散相
液体 固体 气体 液体 固体 液体 气体
Si(OCH3)4(液体) > Si(OC2H5)4(液体) > Si(OC3H7)4(液体) > Si(OC4H9)4
② 在制备多组分氧化物溶胶时，不同元素醇盐的 水解活性不同
选择合适的醇盐品种，可使它们的水解速率达到较好 的匹配，从而保证溶胶的均匀性。
39
③ 起始溶液中的醇盐浓度必须保持适当 作为溶剂的醇加入量过多时，将导致醇盐浓度
1 预热到30C 控制在35C-
3 60C之间
B: 6 ml无水乙醇 2 ml乙酸 1.5ml浓盐酸 3 ml蒸馏水
A:23ml无水乙醇 20ml钛酸丁脂
28
淡黄色透 静置5—10min 明冻状溶 红外灯照射1—2h
胶
黄色干凝胶
80C恒温5h 干凝胶粉末
不同温 度焙烧
醇-金属醇盐体系的缩聚反应
M(OR)n+xH2OM(OH)x(OR)n-x+xROH -M-OH + HO-M- -M-O-M- + H2O -M-OH + RO-M- -M-O-M- +ROH
S ( O i ) 4 S H ( O i ) 4 H ( O ) 3 S H O iS ( O i ) 3 H
光源
凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥
丁达尔效应示意图
2
2. 溶胶(sol) 具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了 1~100nm粒子(基本单元)。
溶胶的特点： （1）溶胶不是物质而是一种“状态”
3
（2）溶胶与溶液的相似之处 溶质+溶剂→溶液 分散相+分散介质→溶胶(分散系)
分散相
液体 固体 气体 液体 固体 液体 气体
Si(OCH3)4(液体) > Si(OC2H5)4(液体) > Si(OC3H7)4(液体) > Si(OC4H9)4
② 在制备多组分氧化物溶胶时，不同元素醇盐的 水解活性不同
选择合适的醇盐品种，可使它们的水解速率达到较好 的匹配，从而保证溶胶的均匀性。
39
③ 起始溶液中的醇盐浓度必须保持适当 作为溶剂的醇加入量过多时，将导致醇盐浓度
1 预热到30C 控制在35C-
3 60C之间
B: 6 ml无水乙醇 2 ml乙酸 1.5ml浓盐酸 3 ml蒸馏水
A:23ml无水乙醇 20ml钛酸丁脂
28
淡黄色透 静置5—10min 明冻状溶 红外灯照射1—2h
胶
黄色干凝胶
80C恒温5h 干凝胶粉末
不同温 度焙烧
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热处理干凝胶
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 可应用的材料至少有4 个历程:毛细收缩、缩合
结果分析
单独的硅烷偶联 剂KH560 在酸性 醇水溶液中发生 的主要反应如下:
影响因素
催化剂、水、溶剂及反应温度等均会对胶
凝时间、凝胶的黏度、结构等产生一定的 影响, 因此要选用合适的配比以满足不同的 需求.
流程
化学过程
溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分 散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性 单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶， 进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过 干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材 料。
特点
溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独 特的优点：
1)由于溶胶-凝胶法中所用的原料首先被分 散到溶剂中而形成低粘度的溶液, 因此, 就可 以在很短的时间内获得分子水平的均匀性, 在形成凝胶时, 反应物之间很可能是在分子 水平上被均匀地混合;
溶胶凝胶法制备二氧化硅薄膜
溶胶凝胶法制备二氧化硅
孟林龙 姚晓东 刘捷龙 赵润民
基本内容
溶胶凝胶法简介 溶胶凝胶法制备二氧化硅薄膜过程 结果分析 影响纳米二氧化硅品质的绍
什么是溶胶凝胶法？ 化学过程 应用领域
溶胶凝胶法介绍
溶胶是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中,并 且不停的进行布朗运动的体系。根据粒子与溶剂 相互作用的强弱,通常将溶胶分为亲液型和憎液型 两类。由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高, 溶胶是热力学不稳定体系。若无其它条件限制,胶 粒倾向于自发凝聚。达到低比表面状态。若上述 过程为可逆,则称为絮凝; 若不可逆,则称为凝胶化。
SiO2制备方法
采用溶胶凝胶法 以硅醇盐或硅卤化物为原料, 以醇作为共熔
剂, 加入酸或碱溶液作为催化剂, 通过硅醇盐 或硅卤化物的水解、缩聚, 形成SiO2 凝胶.采 用正硅酸乙酯( TEOS) 为原料, 典型的Sol- Gel 法( 一步法) 反应为 Si(OC2H5)4+ 4H2O ——Si(OH)4+4C2H5OH
凝胶是指胶体颗粒或高聚物分子互相交联,形成 空间网状结构，在网状结构的孔隙中充满了液体 (在干凝胶中的分散介质也可以是气体)的分散体系。 并非所有的溶胶都能转变为凝胶,凝胶能否形成的 关键在于胶粒间的相互作用力是否足够强,以致克 服胶粒-溶剂间的相互作用力。
金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化， 再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点 反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制， 适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。
制备步骤
将46. 5 g 正硅酸乙酯( T EOS ) , 90 ml 无水乙 醇及10 ml 0. 1 M 盐酸及一定数量的硅烷偶 联剂均匀混合后, 在55℃下恒温水解6 h 得 均匀透明的溶胶, 然后加热蒸发得凝胶, 凝胶 在80℃恒温下烘干17 h 得白色粉体, 破碎、 筛分, 全部通过- 400 目后密封保存。
Si—OH+ HO-Si ——Si-O-Si+ H2O (6) 在室温下( 4) 、( 5) 的缩合反应速度很慢, ( 6)
的反应速度较快. 但在较高温度下( 4)、( 5) 反应以明显速度进行. 所以, 要使体系在低 温下生成足够的Si- OH 以便缩合反应以一定 的速度进行, 应将体系中的含水量提高到一
凝胶开裂的原因：凝胶干燥过程持续的收 缩和硬化;产生应力;破裂。湿凝胶在干燥初 期, 因为有足够的液相填充于凝胶孔中, 凝胶 减少的体积与蒸发掉液体的体积相等, 无毛 细管力起作用。当进一步蒸发使凝胶减少 的体积小于蒸发掉的液体的体积时, 凝胶承 受一个毛细管压力, 将颗粒挤压在一起。由
2)由于经过溶液反应步骤, 那么就很容易均 匀定量地掺入一些微量元素, 实现分子水平 上的均匀掺杂;
应用
溶胶一凝胶法作为低温或温和条件下合成 无机化合物或无机材料的重要方法，在软 化学合成中占有重要地位。在制备玻璃、 陶瓷、薄膜、纤维、复合材料等方面获得 重要应用，更广泛用于制备纳米粒子。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 、LiNbO3 、PbTiO3 、Pb (ZiTi)O3 和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。在光学方面该技术已被用于
(水解) (1) nSi(OH)4—— nSiO2+ 2nH2O(缩聚) (2)
具体的过程可用以下方程来描述
Si(OR)4+ xH2O —— Si(OR)4-x(OH)x+xROH (x= 1~ 4) ( 3)
Si—OR+ RO-Si ——Si-O-Si+ R-OR (4)
Si—OR+ HO-Si ——Si-O-Si+ ROH (5)