材料化学合成实验二

1、材料化学合成实验二溶胶-凝胶法制备钛酸钢纳米粉体溶胶一凝胶技术是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处 理而成氧化物或其他化合物固体的方法。该法在制备材料初期就进行控制，使均匀性可达 到亚微米级、纳米级甚至分子级水平，也就是说在材料制造早期就着手控制材料的微观结 构，而引出“超微结构工艺过程”的概念，进而认识到利用此法可对材料性能进行剪裁。 溶胶凝胶法不仅可用于制备微粉。而且可用于制备薄膜、纤维、体材和复合材料。其优缺点如下：高纯度 粉料(特别是多组分粉料)制备过程中无需机械混合，不易引进杂质; 化学均匀性好 由于溶胶一凝胶过程中，溶胶由溶液制得，化合物在分子级水平混合，

2、故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致；颗粒细 胶粒尺寸小于0.1 Um；该法可容纳不 溶性组分或不沉淀组分不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液中，经溶胶 凝化，不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中，不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越 好：掺杂分布均匀可溶性微量掺杂组分分布均匀，不会分离、偏折，比醇盐水解法优 越：合成温度低，成分容易控制：粉末活性高；工艺、设备简单，但原材料价格昂 贵：烘干后的球形凝胶颗粒白身烧结温度低，但凝胶颗粒之间烧结性差，即体材料烧结 性不好：干燥时收缩大一、实验目的1、了解溶胶一凝胶制备纳米粉体的方法 2、制备纳米钛酸领陶瓷粉体二、实验原理1 .溶胶一凝胶法的基本

3、原理溶胶一凝胶(简称Sol-Gel)法是以金属醇盐的水解和聚合反应为基础的。其反应过程 通常用下列方程式表示：(1)水解反应：M(0R)4 + xH20 = M(0R)4- x OH x + x ROH (2)缩合-聚合反应：失水缩合 一M-OH + 0H-M- =+ H20 失醇缩合 一M-OR + 0H-M- = -M-0-M-4-R0H缩合产物不断发生水解、缩聚反应，溶液的粘度不断增加。最终形成凝胶一一含金 属一氧一金属键网络结构的无机聚合物°正是由于金属一氧一金属键的形成，使Sol-Gel 法能在低温下合成材料。Sol-Gel技术关键就在控制条件发生水解、缩聚反应形成溶胶、凝

4、胶。2.溶胶一凝胶方法合成BaTi03纳米粉体的工艺流程及原理钛酸丁酯(亦称丁醇钛)是一种非常活泼的醇盐，遇水会发生剧烈的水解反应，如果有 足够的水参与反应，一般将生成性能稳定的氢氧钛。在Sol-Gel工艺中，必须严格地控 制水的掺量，甚至不掺水，而让溶液系统暴露在空气中从空气中吸收水分，使水解反应不 充分(或不完全)，其反应式可表示为Ti(0R)4 + x H20 = Ti(0R)4- x OH x+ x ROH(1) 式中,R二C4H9为丁烷基，RO或OR为丁烷氧基。未完全水解反应的生成物Ti(R)4- x(0H) x中的(OH)-极易与丁烷基(R)或乙银基(R'=CH3CO)结合

5、，生成丁醇或乙酸, 而使金属有机基团通过桥氧聚合成有机大分子。如本实验可能发生典型的聚合反应的结构 反应式为实验中的水解及聚合反应在缓慢吸收空气中水分的过程中不断地进行着，实际上是金 属有机化合物经过脱酸脱醇反应，金属Ti4+和Ba2+通过桥氧键聚合成了有机大分子团链, 随着这种分子团链聚合度的增大，溶液粘度增加，溶胶特征明显，经过一定时间就会变成 半固体透明的凝胶。胶经过烘干，燃烧得到钛酸钢粉末。 三、主要仪器与药品烧杯，机械搅拌、烘箱、坨烟、量筒、玻璃棒； 醋酸钢，乙酸，钛酸丁酯，无水乙 醇。四、实验步骤1 .称取醋酸锁0. 02mol (5g),量取36%的乙酸20mL倒入烧杯中,搅拌使

6、醋酸饮完 全溶解。2 .称取钛酸丁酯0. 02mol (6.8g),量取无水乙醇10ml,倒入锥形瓶中，摇匀。3 .将上述两种溶液迅速混合，快速搅拌，溶液澄清后减慢搅拌速度，继续搅拌2小 时，停止搅拌，此时已经形成透明溶胶，使透明溶胶在空气中静置3 4小时，得到透明 凝胶。4 .将凝胶取出，置于干燥皿中，在120° C下烘干。得到干凝胶，研磨得到淡黄色粉 末。5 .将粉末置于用锅中，在800° C下煨烧4小时，得到纳米钛酸领陶针粉末。五、测试设计1、是否为纳米陶瓷粉体通过用X一射线衍射分析钛酸钢粉末晶相及粒度来检测制备的材料是否达到要求2、比表面积测定 用BET比表面积测试

7、仪测试。气体选用氢气，标样用碳粉 末。实验数据处理后可得其比表面积。六、发展前景电子陶究用钛酸钢粉体超细粉体技术是当今高科技材料领域方兴未艾 的新兴产业之一。由于其具有的高科技含量，粉体细化后产生的材料功能的特异性，使之 成为新技术革命的基础产业。钛酸钢粉体是电子陶瓷元器件的重要基础原料，高纯超细钛 酸钢粉体主要用于介质陶瓷、敏感陶瓷的制造，其中的多层陶瓷电容器、PTC热敏电阻器 件与我们的日常生活密切相关，如PTC热敏电阻在冰箱启动器、彩电消磁器、程控电话机、 节能灯、加热器等领域有着广泛的应用：MLC多层陶瓷电容在大规模集成电路方面应用广 泛 钛酸钢(BaTiO3)具有良好的介电性，是电子陶瓷领域应用最广的材料之一。传统的 BaTiO3制备方法是固相合成，这种方法生成的粉末颗粒粗且硬，不能满足高科技应用的要 求。现代科技要求陶瓷粉体具有高纯、超细、粒径分布窄等特性，纳米材料与粗晶材料相 比在物理和机械性能方面有极大的差