溶胶凝胶法制备陶瓷粉体PPT演示文稿
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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
第七章溶胶-凝胶法(课堂PPT)
.
11
凝胶的干燥
❖ 湿凝胶内包裹着大量的溶剂和水，干燥过程往往伴 着很大的体积收缩，因而容易引起开裂。防止凝胶 在干燥过程中开裂是Sol-Gel工艺中至关重要而较为 困难的一环，特别是对尺寸较大的块体材料。
❖ 导致凝胶收缩、开裂的应力主要源于由充填于凝胶 骨架隙中的液体的表面张力所产生的毛细管力，凝 胶尺寸越厚越开裂。此外，干燥速率也是重要因素。 为了获得有一定厚度的完整凝胶，往往需要严格控 制干燥条件（如温度、相对湿度等）使其缓慢干燥， 有时需要数日乃至数月的时间，因此干燥是Sol-Gel 工艺中耗时最长的工序。
.
20
.
13
溶胶-凝胶合成的技术意义与应用
❖ Sol-Gel法实质上是采用介观层次上性能受到控制的 各种源物质，取代传统工艺中那些既未进行几何控 制又未实施化学控制（如矿物陶瓷原料）或者仅有 几何控制（如普通超微、单分散粉料）的生原料。
❖ 由于材料的初期结构在溶液-溶胶-凝胶过程中即已 形成，通过灵活的制备工艺和胶体改性，可在材料 制备的初期就对其化学状态、几何构型、粒级和均 匀性等超微结构进行控制。这种从无控制状态到有 控制状态的改变不是一个简单的量变递进，已在众 多方面显示出其独特的价值和新的现象。
第七节 溶胶－凝胶法
❖ 溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术是指金属有机或无 机化合物（称前驱物），经溶液、溶胶、凝 胶而固化，在溶胶或凝胶状态下成型，再经 热处理转化为氧化物或其他化合物固体材料 的方法，是应用胶体化学原理制备无机材料 的一种湿化学方法。
.
1
溶胶-凝胶合成的工艺方法
❖ 用Sol-Gel法制备材料的具体技术和方法很多， 归纳起来，按其溶胶、凝胶的形成方式可分 为传统胶体法、水解聚合法和络合物法三种， 如图2-1所示。
陶瓷粉体制备ppt课件.ppt
H2，CO, CnHm
1100－1200℃
NbC
Nb+炭黑
H2，CO, CnHm
1400－1500℃
真空
1200－1300℃
Nb2O5+炭黑
H2，CO, CnHm
1900－2000℃
真空
1600－1700℃
TaC
Ta+炭黑
H2，CO, CnHm
1400－1600℃
真空
1200－300℃
Ta2O5+炭黑
为了克服直接沉淀的缺点，改变沉淀剂的加入方式，使得溶液本身缓慢反应产生沉淀剂，常用的有尿素： （NH2）2CO+3H2O→2NH4OH+CO2 (70℃) NH4OH在溶液中形成后立即被消耗，尿素继续分解平衡，可用来制备铁、铝、锡、镓、锆等的氧化物。
铝粉和B2O3粉料在刚玉罐中球磨混合1h，经真空干燥后，压坯，置入充满氩气的反应器中，进行燃烧合成。反应器内压力可在500Pa～0.1Mpa之间调节，用钨丝通电点火。热电偶插入试样心部测温。球磨后得到粉料。
Al2O3
AlB12
自蔓延法有以下优点： 1、工艺简单 2、消耗外部能量少 3、可在真空或者控制气氛下进行，得到高纯产品 4、材料烧成与合成可同时完成
900℃5h
1300℃2h
先进陶瓷粉料的制备
固相法制备粉料
可以获得高纯的Al2O3， 粒度小于1μm
用于碳化硅生产的阿奇逊电炉 (a)炉役开始前；(b)炉役结束后
分步反应： SiO2＋C → SiO（气）＋CO SiO＋2C → SiC＋CO SiO＋C → Si（气）＋CO Si＋C → SiC
先进陶瓷粉料的制备
A(S)+B(S)→C(S)+D(g)
1100－1200℃
NbC
Nb+炭黑
H2，CO, CnHm
1400－1500℃
真空
1200－1300℃
Nb2O5+炭黑
H2，CO, CnHm
1900－2000℃
真空
1600－1700℃
TaC
Ta+炭黑
H2，CO, CnHm
1400－1600℃
真空
1200－300℃
Ta2O5+炭黑
为了克服直接沉淀的缺点，改变沉淀剂的加入方式，使得溶液本身缓慢反应产生沉淀剂，常用的有尿素： （NH2）2CO+3H2O→2NH4OH+CO2 (70℃) NH4OH在溶液中形成后立即被消耗，尿素继续分解平衡，可用来制备铁、铝、锡、镓、锆等的氧化物。
铝粉和B2O3粉料在刚玉罐中球磨混合1h，经真空干燥后，压坯，置入充满氩气的反应器中，进行燃烧合成。反应器内压力可在500Pa～0.1Mpa之间调节，用钨丝通电点火。热电偶插入试样心部测温。球磨后得到粉料。
Al2O3
AlB12
自蔓延法有以下优点： 1、工艺简单 2、消耗外部能量少 3、可在真空或者控制气氛下进行，得到高纯产品 4、材料烧成与合成可同时完成
900℃5h
1300℃2h
先进陶瓷粉料的制备
固相法制备粉料
可以获得高纯的Al2O3， 粒度小于1μm
用于碳化硅生产的阿奇逊电炉 (a)炉役开始前；(b)炉役结束后
分步反应： SiO2＋C → SiO（气）＋CO SiO＋2C → SiC＋CO SiO＋C → Si（气）＋CO Si＋C → SiC
先进陶瓷粉料的制备
A(S)+B(S)→C(S)+D(g)
溶胶-凝胶法制备粉体
脱水
-M-OH + H-O-M
-M-O-M + H2O
-M-O-M + ROH
脱烷基 -M-OH + R-O-M
分解速率：一般有机基团越大，分解速率越小 如Si： Si(OCH3)4(液体) > Si(OC2H5)4(液体) > Si(OC3H7)4(液体) > Si(OC4H9)4
SUST
第二章
2.溶胶一凝胶法金属醇盐的种类
ⅡB
ⅢA ⅢB ⅣA ⅣB
Zn
B Al Ga Y Si Ge Pb
Zn(OC 2H5)2(固体)
B(OCH3)3(液体) Al(OC3H7)3(固体) Y(OC4H9)3 Si(OC2H5)4(液体) Ge(OC2H5)4(液体) Pb(OC4H9)4 (固体)
SUST
M 为碱金属
M’为 Al
SUST
第二章
特种陶瓷粉体的物理性能及其制备
b. 金属溶于醇后和金属醇盐的反应 HgCl2 M + 2ROH + 2M’(OR)3 [ M(M’(OR)4 ) 2] ROH M 为二价金属 M’为 Al
c. 金属氯化物和二元金属醇盐的反应 nMCl n + n M’[(M’’(OR)x ] ROH 2M’’[M(OR)x]n + nM’Cl C6H6 例如：M’[(M’’(OR)x ]=K[Al(OC3H7)4] M 为二价三价或四价金属 M’为一价金属
SUST
第二章
特种陶瓷粉体的物理性能及其制备
（3）与β-二酮或β-二酮酯反应 M(OR)n+x R′COH2COR″→ M(OR)n-x(R′COH2COR″)x +x ROH M(OR)n+xR′COH2COOR″→ M(OR)n-x(R′COH2COOR″)x +x ROH
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：
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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。
溶胶-凝胶合成法ppt课件
Sol-gel 合成材料
溶液－溶胶化 凝胶化－成型
固化处理
超细粉和溶液 机械混合形成胶液
金属无机化合物或 金属醇盐水解
金属有机化合物 水解
溶胶-凝胶工艺过程
干燥
精选ppt
热处理
30
3. 溶胶-凝胶工艺过程
前驱体溶液
水和催化剂
透明溶胶
成膜过程
成纤过程
雾化收集
湿凝胶
2.刚形成的凝胶体积与前驱体溶 液体积完全一样
3.证明凝胶形成的参数－凝胶时 间随着过程中的其它参数变化而
变化 4.凝胶透明
主要是金属烃氧 化物
薄膜 块体 纤维 粉末
络合反应导致较大混
络合物型 合配合体的络合物的
形成
1.由氢键连接的络合物构成凝胶 网络
2.凝胶在湿气中可能会溶解 3.凝胶透明
金属醇盐、硝酸 盐或醋酸盐
溶 胶 凝 粉胶 体制 备 陶 瓷
具有制备工艺简单、无需昂贵的设备 大大增加多元组分体系化学均匀性 反应过程易控制，可以调控凝胶的微观结构 材料可掺杂范围宽，化学计量准，易于改性 产物纯度高等
钛酸四丁脂体系纳米TiO2粉末
精选ppt
23
6.薄膜及涂层材料
工艺流程：将溶液或溶胶通过浸渍法或旋转涂膜法在基板上形成液膜， 经凝胶化后通过热处理可转变成无定形态（或多晶态）膜或涂层
(OR)n-x(HO)x-lM-OH + ROM(OR)n-x-l (OH)x → (OR)n-x(OH)x-lM-O-M(OR)n-x-l(OH)x + R-OH
精选ppt
13
2.溶胶－凝胶合成方法基本原理
1、醇盐的水解-缩聚反应
阳离子
Si Al Ti B
溶液－溶胶化 凝胶化－成型
固化处理
超细粉和溶液 机械混合形成胶液
金属无机化合物或 金属醇盐水解
金属有机化合物 水解
溶胶-凝胶工艺过程
干燥
精选ppt
热处理
30
3. 溶胶-凝胶工艺过程
前驱体溶液
水和催化剂
透明溶胶
成膜过程
成纤过程
雾化收集
湿凝胶
2.刚形成的凝胶体积与前驱体溶 液体积完全一样
3.证明凝胶形成的参数－凝胶时 间随着过程中的其它参数变化而
变化 4.凝胶透明
主要是金属烃氧 化物
薄膜 块体 纤维 粉末
络合反应导致较大混
络合物型 合配合体的络合物的
形成
1.由氢键连接的络合物构成凝胶 网络
2.凝胶在湿气中可能会溶解 3.凝胶透明
金属醇盐、硝酸 盐或醋酸盐
溶 胶 凝 粉胶 体制 备 陶 瓷
具有制备工艺简单、无需昂贵的设备 大大增加多元组分体系化学均匀性 反应过程易控制，可以调控凝胶的微观结构 材料可掺杂范围宽，化学计量准，易于改性 产物纯度高等
钛酸四丁脂体系纳米TiO2粉末
精选ppt
23
6.薄膜及涂层材料
工艺流程：将溶液或溶胶通过浸渍法或旋转涂膜法在基板上形成液膜， 经凝胶化后通过热处理可转变成无定形态（或多晶态）膜或涂层
(OR)n-x(HO)x-lM-OH + ROM(OR)n-x-l (OH)x → (OR)n-x(OH)x-lM-O-M(OR)n-x-l(OH)x + R-OH
精选ppt
13
2.溶胶－凝胶合成方法基本原理
1、醇盐的水解-缩聚反应
阳离子
Si Al Ti B
溶胶凝胶法制粉 ppt课件
1853 Farady, 实验室Gold sol, oldest sol, still stable now days;
1861 Thomas Graham, 胶体化学作为一门学说; colloid 胶体, sol溶胶, gel凝胶, peptization胶溶, dialysis渗析, syneresis离浆
溶胶凝胶法制粉
阳离子
Si Al Ti B
溶胶凝胶合成中常用的醇盐
M(OR)n
Si(OCH3)4 Si(OC2H5)4
Al(O-iC3H7)3 Al(O-sC4H9)3
Ti (O-iC3H7)4 Ti(OC4H9)4 Ti(OC5H7)4
B(OCH3)3
阳离子
Ge Zr Y Ca
M(OR)n
Ge(OC2H5)4 Zr(O-iC3H7)4 Y(OC2H5)3
2N硝酸量 (ml/100ml 胶体) 1：100 2：100 3：100 7：100 17：100
硝酸溶液 pH 1.70 1.40 1.22 0.85 0.47
胶体 pH 4.42 3.70 3.56 3.40 3.22
胶溶H+量 % 0.998 0.990 0.995 0.997 0.998
溶胶凝胶法制粉
溶胶凝胶法制粉
胶体体系的特点：多相不均匀性 多分散性，胶团结构 聚结的不稳定性 胶团组成与结构的不确定性
胶体溶液（溶胶）与真溶液的区别： 热力学上不稳定的物系 多相体系，分散相与分散介质存在相界面， 胶态粒子大小不一，要用平均胶团量
及其分布曲线表示 胶团无确定的组成与结构，且可分裂， 受外界条件和添加剂影响很大
同样，加入胶溶剂使之胶溶而成为溶胶， 然后去溶剂，发生缩聚反应使之胶凝而成为凝胶
1861 Thomas Graham, 胶体化学作为一门学说; colloid 胶体, sol溶胶, gel凝胶, peptization胶溶, dialysis渗析, syneresis离浆
溶胶凝胶法制粉
阳离子
Si Al Ti B
溶胶凝胶合成中常用的醇盐
M(OR)n
Si(OCH3)4 Si(OC2H5)4
Al(O-iC3H7)3 Al(O-sC4H9)3
Ti (O-iC3H7)4 Ti(OC4H9)4 Ti(OC5H7)4
B(OCH3)3
阳离子
Ge Zr Y Ca
M(OR)n
Ge(OC2H5)4 Zr(O-iC3H7)4 Y(OC2H5)3
2N硝酸量 (ml/100ml 胶体) 1：100 2：100 3：100 7：100 17：100
硝酸溶液 pH 1.70 1.40 1.22 0.85 0.47
胶体 pH 4.42 3.70 3.56 3.40 3.22
胶溶H+量 % 0.998 0.990 0.995 0.997 0.998
溶胶凝胶法制粉
溶胶凝胶法制粉
胶体体系的特点：多相不均匀性 多分散性，胶团结构 聚结的不稳定性 胶团组成与结构的不确定性
胶体溶液（溶胶）与真溶液的区别： 热力学上不稳定的物系 多相体系，分散相与分散介质存在相界面， 胶态粒子大小不一，要用平均胶团量
及其分布曲线表示 胶团无确定的组成与结构，且可分裂， 受外界条件和添加剂影响很大
同样，加入胶溶剂使之胶溶而成为溶胶， 然后去溶剂，发生缩聚反应使之胶凝而成为凝胶
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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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。
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。
• 在光学方面该技术已被用于制备各种光学 膜，如高反射膜、减反射膜等和光导纤维
、折射率梯度材料，有机染料掺杂型非线
形光学材料等以及波导光栅、稀土发光材 料等。
在热学方面该技术制备的SiO2-TiO2玻璃 非常均，热膨胀系数很小，化学稳定性 也很好；已制成的InO3-SnO(ITO)大面积透 明导电薄膜具有很好的热镜性能；制成的 SiO2气凝胶具有超绝热性能等特点。
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。
3.5 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。
溶胶-凝胶法制备陶瓷粉体
------Sol-gel method for ceramic powder
作者：王俊鹏
化学法
液相法 气相法 固相法
1、液相法
• 共同点是以均相溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶 剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末 的前躯体，热解后得到粉体
沉淀法
水解法
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
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
乳液法
蒸发溶剂热解法
喷雾法 水热法
2、气相法
• 直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体，使之在气 体状态下发生物理化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大 形成纳米颗粒
气体中蒸发法 化学气相反应法
溅射法
化学气象凝聚法
3、固相法 • 通过从固相到固相的变化，来制造粉体
热分解法 固相反应法
火花放电法 溶出法
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。
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。溶胶－凝胶法是被广泛 应用的制备纳米粉体的重要方法。
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
－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。
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。
• 在光学方面该技术已被用于制备各种光学 膜，如高反射膜、减反射膜等和光导纤维
、折射率梯度材料，有机染料掺杂型非线
形光学材料等以及波导光栅、稀土发光材 料等。
在热学方面该技术制备的SiO2-TiO2玻璃 非常均，热膨胀系数很小，化学稳定性 也很好；已制成的InO3-SnO(ITO)大面积透 明导电薄膜具有很好的热镜性能；制成的 SiO2气凝胶具有超绝热性能等特点。
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。
3.5 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。
溶胶-凝胶法制备陶瓷粉体
------Sol-gel method for ceramic powder
作者：王俊鹏
化学法
液相法 气相法 固相法
1、液相法
• 共同点是以均相溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶 剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末 的前躯体，热解后得到粉体
沉淀法
水解法
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
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
乳液法
蒸发溶剂热解法
喷雾法 水热法
2、气相法
• 直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体，使之在气 体状态下发生物理化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大 形成纳米颗粒
气体中蒸发法 化学气相反应法
溅射法
化学气象凝聚法
3、固相法 • 通过从固相到固相的变化，来制造粉体
热分解法 固相反应法
火花放电法 溶出法
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。
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。溶胶－凝胶法是被广泛 应用的制备纳米粉体的重要方法。
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