溶胶-凝胶合成法

溶胶一凝胶合成法溶胶（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〜lOOnm之间。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;无固定形状;固相粒子自由运动•凝胶;固定形状;固相粒子按一定网架结构固定不能自由移动。特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面积*溶胶一凝胶法：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。前驱体——溶解——溶液——水解——溶胶——缩聚一凝胶一老化——凝胶颗粒间的范德华力、双电层静电排斥能——粒子间总作用能溶胶是固体或大分子颗粒分散于液相的胶体体系，具有很大的界面存在，界面原子的吉布斯自由能比内部原子高，粒子间便有相互聚结从而降低表面能的趋势。增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。增加粒子间能垒通常有三个基本途径：（1）使胶粒带表面电荷；⑵利用空间位阻效应；（3）利用溶剂化效应。溶胶稳定机制；溶胶颗粒表面电荷来自胶粒晶格离子的选择性电离，或选择性吸附溶剂中的离子。对金属氧化物水溶胶，一般优先吸附H+或OH—。当pH>PZC时，胶粒表面带负电荷；反之，则带正电荷。根据DLVO理论，胶粒受到双电层斥力和长程范德华引力二种作用，此外，胶粒间相互作用还有分子间的范德华力和由表层价电子重叠引起的短程波恩斥力。凝胶化——碱性凝胶化、脱水凝胶化无机盐的水解-缩聚反应：浓缩法（在较高的温度下通过可控制的成核作用和晶体生长获得溶胶）；分散法（金属盐在过量碱作用下于室温迅速水解形成凝胶状沉淀，将过量电解质洗去，加入强酸在较高的温度下分散成溶胶）勰性溶胶粒子尺寸酸性溶胶粒子尺寸超声分歆渗析勰性溶胶粒子尺寸酸性溶胶粒子尺寸超声分歆渗析溶胶凝胶1lm胶、高、复合材料、粉体材料、薄膜及涂层材料是指具有三维结构，且每一纟维尺度均大于得材料的性能需求，凝胶、老化和干水燥最溶胶凝胶1lm胶、高、复合材料、粉体材料、薄膜及涂层材料是指具有三维结构，且每一纟维尺度均大于得材料的性能需求，凝胶、老化和干水燥最终通过热处理工艺获得材料。该方法材料成分易块体材料、膨孔材料、纤维材料、•块体材料；溶胶—凝胶合成法制备的块体材料m的各种形状且无裂纹的产物。根据所需获控制凝J成分多元化、均匀性好、「材料形状多样化、（B）分散法将前驱体进行水解、溶J备块体材料具有纯度t可在较低的温度下进（A）浓缩法性合成并致密化等优点。可以用于制备各种光学透镜、功能陶瓷块、梯度折射率玻璃等。成本较高，生产周期长，故不适宜材料大规模的生产。2•多孔材料；将金属醇盐溶解于低级醇中，水解得到相应金属氧化物溶胶；调节pH值，纳米尺度的金属氧化物微粒发生聚集，形成无定形网络结构的凝胶。将凝胶老化、干燥并作热处理，有机物分解后，得到多孔金属氧化物材料（一般为陶瓷）3.溶胶一凝胶+模板工艺=多孔材料4•纤维材料；前驱体经反应形成类线性无机聚合物或络合物，当粘度达10〜lOOPa・s时，通过挑丝或漏丝法可制成凝胶纤维，热处理后可转变成相应玻璃或陶瓷纤维克服了传统直接熔融纺丝法因特种陶瓷难熔融而无法制成纤的困难，工艺可以在低温下进行，纤维陶瓷均匀性好、纯度高复合材料；复合材料——不同组分之间的复合材料、组成和结构不同的纳米复合材料、组成和结构均不同的组分所制备的纳米复合材料、凝胶与其中沉积相组成的复合材料、干凝胶与金属相之间的复合材料、有机一无机杂化复合材料（解决了材料的制备时在退火处理过程中，有机材料易分解的问题）5•粉体材料采用溶胶一凝胶合成法，将所需成分的前驱物配制成混合溶液，经凝胶化、热处理后，一般都能获得性能指标较好的粉末。凝胶中含有大量液相或气孔，在热处理过程中不易使粉末颗粒产生严重团聚，同时此法易在制备过程中控制粉末颗粒度。溶胶凝胶制备陶瓷粉体一一具有制备工艺简单、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；产物纯度高等溶胶一凝胶法应用（2）—A12O3耐热涂层应用实例（3）：溶胶凝胶-自蔓延制备生物玻璃粉体7•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。成膜机理：采用适当方法使经过处理的陶瓷基底和溶胶相接触，在基底毛细孔产生的附加压力下，溶胶倾向于进入基底孔隙，当其中介质水被吸入孔道内同时胶体粒子的流动受阻在表面截留，增浓，缩合，聚结而成为一层凝胶膜。对浸渍法来说，凝胶膜的厚度与浸渍时间的平方根成正比，膜的沉积速度随溶胶浓度增加而增加，随基底孔径增加而减小。优点：膜层与基体的适当结合可获得基体材料原来没有的电学、光学、化学和力学等方面的特殊性能溶胶一凝胶法应用（1）—气凝胶气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成的纳米多孔网络固态非晶材料，其多孔率可达到80~99.8%,比表面积可高达到800~1000m2/g以上。气凝胶具有很低的密度，美国LarryHrubesh领导的研究者曾经制备了密度仅为0.003g/cm3的气凝胶，其密度仅为空气的三倍，被称为“固体烟”。气凝胶TEOSH20无水乙醇1:4:10溶蔽 1水解15niin溶胶4 聚合r湿11胶老化醇11胶超临畀干燥!气凝胶化学襦加剂H20催化剂NH3-OH前販体水解产物『son调节pH值或加汎虽解质中和襯粒表面电荷 •■缩聚反应懿芳酒别 ►溶胶一凝胶

含膜元素的无机盐、醇盐或竣酸盐等激活方式消耗蒸发热、电离等提供激活能、高温、化学自由能加热处理制备温度250-20001C（蒸发源）25~适合温度（基片）150-2000*0（基片）300-8001C（基片）膜结构单晶、多晶、非晶单晶、多晶、非晶膜致密性致密致密较致密膜附着性较好好好化学组成相组成均匀性_般校高咼成本高高低Sol-gel洽戚紡料匸 :容液-丽E嚴花一戚型工-1-.14.溶胶磁工艺参数溶胶一懸|前驱体选择I—反应配比I—超pK1|