實(shí)驗(yàn)二_溶膠-凝膠法制備鈦酸鋇納米陶瓷粉體

1、實(shí)驗(yàn)二溶膠-凝膠法制備納米陶瓷粉體一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解溶膠-凝膠制備納米粉體的方法2、制備納米鈦酸鋇陶瓷粉體溶膠凝膠技術(shù)是指金屬有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化,再經(jīng)熱處理而成氧化物或其他化合物固體的方法。該法歷史可追溯到19世紀(jì)中葉,Ebelman發(fā)現(xiàn)正硅酸乙酯水解形成的SiO2呈玻璃狀,隨后Graham研究發(fā)現(xiàn)SiO2凝膠中的水可以被有機(jī)溶劑置換,此現(xiàn)象引起化學(xué)家注意。經(jīng)過長時(shí)間探索,逐漸形成膠體化學(xué)學(xué)科。在20世紀(jì)30年代至70年代礦物學(xué)家、陶瓷學(xué)家、玻璃學(xué)家分別通過溶膠凝膠方法制備出相圖研究中均質(zhì)試樣,低溫下制備出透明PLZT陶瓷和Pyrex耐熱玻璃。核化學(xué)家也利用此法制備核

2、燃料,避免了危險(xiǎn)粉塵的產(chǎn)生。這階段把膠體化學(xué)原理應(yīng)用到制備無機(jī)材料獲得初步成功,引起人們的重視,認(rèn)識到該法與傳統(tǒng)燒結(jié)、熔融等物理方法不同,引出“通過化學(xué)途徑制備優(yōu)良陶瓷”的概念,并稱該法為化學(xué)合成法或SSG法(Solution-sol-gel。另外該法在制備材料初期就進(jìn)行控制,使均勻性可達(dá)到亞微米級、納米級甚至分子級水平,也就是說在材料制造早期就著手控制材料的微觀結(jié)構(gòu),而引出“超微結(jié)構(gòu)工藝過程”的概念,進(jìn)而認(rèn)識到利用此法可對材料性能進(jìn)行剪裁。溶膠凝膠法不僅可用于制備微粉。而且可用于制備薄膜、纖維、體材和復(fù)合材料。其優(yōu)缺點(diǎn)如下:高純度粉料(特別是多組分粉料制備過程中無需機(jī)械混合,不易引進(jìn)雜質(zhì);化

3、學(xué)均勻性好由于溶膠凝膠過程中,溶膠由溶液制得,化合物在分子級水平混合,故膠粒內(nèi)及膠粒間化學(xué)成分完全一致;顆粒細(xì)膠粒尺寸小于0.1m;該法可容納不溶性組分或不沉淀組分不溶性顆粒均勻地分散在含不產(chǎn)生沉淀的組分的溶液中,經(jīng)溶膠凝化,不溶性組分可自然地固定在凝膠體系中,不溶性組分顆粒越細(xì),體系化學(xué)均勻性越好;摻雜分布均勻可溶性微量摻雜組分分布均勻,不會分離、偏折,比醇鹽水解法優(yōu)越:合成溫度低,成分容易控制;粉末活性高;工藝、設(shè)備簡單,但原材料價(jià)格昂貴:烘干后的球形凝膠顆粒自身燒結(jié)溫度低,但凝膠顆粒之間燒結(jié)性差,即體材料燒結(jié)性不好;干燥時(shí)收縮大。鈦酸鋇(BaTiO3具有良好的介電性,是電子陶瓷領(lǐng)域應(yīng)用最

4、廣的材料之一。傳統(tǒng)的BaTiO3制備方法是固相合成,這種方法生成的粉末顆粒粗且硬,不能滿足高科技應(yīng)用的要求?，F(xiàn)代科技要求陶瓷粉體具有高純、超細(xì)、粒徑分布窄等特性,納米材料與粗晶材料相比在物理和機(jī)械性能方面有極大的差別。由于顆粒尺寸減小引起材料物理性能的變化主要表現(xiàn)在:熔點(diǎn)降低,燒結(jié)溫度降低、熒光譜峰向低波長移動、鐵電和鐵磁性能消失、電導(dǎo)增強(qiáng)等。溶液化學(xué)法是制備超細(xì)粉體的一種重要方法,其中以溶膠-凝膠法最為常用。二、實(shí)驗(yàn)原理1.溶膠-凝膠法的基本原理溶膠凝膠(簡稱SolGel法是以金屬醇鹽的水解和聚合反應(yīng)為基礎(chǔ)的。其反應(yīng)過程通常用下列方程式表示:(1水解反應(yīng):M(OR4 + H2O = M(OR

5、4- OH + ROH(2縮合-聚合反應(yīng):失水縮合-M-OH + OH-M-=-M-O-M-+H2O失醇縮合-M-OR + OH-M-=-M-O-M-+ROH縮合產(chǎn)物不斷發(fā)生水解、縮聚反應(yīng),溶液的粘度不斷增加。最終形成凝膠含金屬氧金屬鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無機(jī)聚合物。正是由于金屬氧金屬鍵的形成,使SolGel法能在低溫下合成材料。SolGel技術(shù)關(guān)鍵就在控制條件發(fā)生水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠、凝膠。2. 溶膠-凝膠方法合成BaTiO3納米粉體的工藝流程及原理溶膠-凝膠方法合成BaTiO3納米粉體的工藝流程如圖2-1所示。 Ti(C H O攪拌圖2-1溶膠-凝膠方法合成BaTiO3納米粉體的工藝流程鈦酸丁酯(

6、亦稱丁醇鈦是一種非?；顫姷拇见},遇水會發(fā)生劇烈的水解反應(yīng),如果有足夠的水參與反應(yīng),一般將生成性能穩(wěn)定的氫氧鈦。在Sol Gel 工藝中,必須嚴(yán)格地控制水的摻量,甚至不摻水,而讓溶液系統(tǒng)暴露在空氣中從空氣中吸收水分,使水解反應(yīng)不充分(或不完全,其反應(yīng)式可表示為Ti(OR4 + H 2O = Ti(OR4- OH + ROH (1式中,R=C 4H 9為丁烷基,RO 或OR 為丁烷氧基。未完全水解反應(yīng)的生成物Ti(R4- (OH 中的(OH-極易與丁烷基(R或乙羰基(R ´=CH 3CO結(jié)合,生成丁醇或乙酸,而使金屬有機(jī)基團(tuán)通過橋氧聚合成有機(jī)大分子。如本實(shí)驗(yàn)可能發(fā)生典型的聚合反應(yīng)的結(jié)構(gòu)反

7、應(yīng)式為R -O-Ba-O-R Ti OH +Ti O Ba O R'+ R'OH (2或Ti OR Ti OH +Ti O Ti + ROH (3實(shí)驗(yàn)中的水解及聚合反應(yīng)在緩慢吸收空氣中水分的過程中不斷地進(jìn)行著,實(shí)際上是金屬有機(jī)化合物經(jīng)過脫酸脫醇反應(yīng),金屬Ti 4+和Ba 2+通過橋氧鍵聚合成了有機(jī)大分子團(tuán)鏈,隨著這種分子團(tuán)鏈聚合度的增大,溶液粘度增加,溶膠特征明顯,經(jīng)過一定時(shí)間就會變成半固體透明的凝膠。凝膠經(jīng)過烘干,煅燒得到鈦酸鋇粉末。三、主要儀器與藥品燒杯,機(jī)械攪拌、烘箱;醋酸鋇,乙酸,鈦酸丁酯,無水乙醇。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.稱取醋酸鋇0.02mol (5g,量取36%的乙酸20

8、ml,倒入燒杯中,攪拌使醋酸鋇完全溶解。2.稱取鈦酸丁酯0.02mol (6.8g, 量取無水乙醇10ml,倒入錐形瓶中, 搖勻。3.將上述兩種溶液迅速混合,快速攪拌,溶液澄清后減慢攪拌速度,繼續(xù)攪拌2小時(shí),停止攪拌,此時(shí)已經(jīng)形成透明溶膠,使透明溶膠在空氣中靜置3-4小時(shí),得到透明凝膠。4.將凝膠取出,置于干燥皿中,在120°C下烘干。得到干凝膠,研磨得到淡黃色粉末。5.將粉末置于坩鍋中,在800°C下煅燒4小時(shí),得到納米鈦酸鋇陶瓷粉末。6.有條件的話用X-射線衍射分析鈦酸鋇粉末晶相及粒度。五、思考題1、控制水解-縮聚條件有那些途徑?2、溶膠-凝膠法的優(yōu)缺點(diǎn)?六、參考文獻(xiàn):1 劉吉平,廖莉玲.無機(jī)納米材料.科學(xué)出版社,2003.2 王世敏,許祖勛,傅晶. 納米材料制備技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社,2002.3