溶膠凝膠合成法

關于溶膠凝膠合成法第一頁，共六十八頁，2022年，8月28日目錄基本概念溶膠-凝膠法發(fā)展歷程溶膠-凝膠基本原理溶膠-凝膠合成方法的適用范圍溶膠-凝膠工藝過程溶膠-凝膠合成方法應用舉例第二頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠基本概念第三頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠法的基本概念膠體（colloid）是一種分散相粒徑很小的分散體系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之間的相互作用主要是短程作用力。溶膠（Sol）是具有液體特征的膠體體系，分散的粒子是固體或者大分子，分散的粒子大小在1～100nm之間。凝膠（Gel）是具有固體特征的膠體體系，被分散的物質形成連續(xù)的網(wǎng)狀骨架，骨架空隙中充有液體或氣體，凝膠中分散相的含量很低，一般在1％～3％之間。溶膠無固定形狀固相粒子自由運動凝膠固定形狀固相粒子按一定網(wǎng)架結構固定不能自由移動*特殊的網(wǎng)架結構賦予凝膠很高的比表面積*第四頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠法：就是用含高化學活性組分的化合物作前驅體，在液相下將這些原料均勻混合，并進行水解、縮合化學反應，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡結構的凝膠，凝膠網(wǎng)絡間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。凝膠經(jīng)過干燥、燒結固化制備出分子乃至納米亞結構的材料。溶膠－凝膠法的基本概念溶解前驅體溶液溶膠凝膠凝膠水解縮聚老化第五頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠凝膠發(fā)展歷程第六頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠法的發(fā)展歷程1846年Ebelmen發(fā)現(xiàn)凝膠20世紀30年代W.Geffcken采用金屬醇鹽制備氧化物薄膜1971年Dislich制備了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多組分玻璃1975年Yoldas和Yamane得到整塊陶瓷和透明氧化鋁膜80年代后玻璃、氧化物涂層功能陶瓷粉料復合氧化物陶瓷材料重要化學合成方法第七頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠基本原理第八頁，共六十八頁，2022年，8月28日1.膠體穩(wěn)定原理-DLVO理論1、雙電層與ζ電位溶膠體系中，由于靜電引力的存在會使溶液中的反離子向顆粒表面靠攏，并排斥同離子，固體表面電荷與溶液中反電荷形成了雙電層結構。被吸附的離子與固體表面結合牢固，固體和液體相對運動時，固體帶動部分反離子一起滑動。AB面是發(fā)生電動現(xiàn)象時的實際滑動面，滑動面上的電位即ζ電位。ζ電位等于零時的pH點成為等電點。

φ0+++++++－－－－－－－－－－ABζDistancexfromsurface+++++++++++++++----------------ParticleSurfacechargeliquid第九頁，共六十八頁，2022年，8月28日1.膠體穩(wěn)定原理-DLVO理論

一種關于膠體穩(wěn)定性的理論。由德亞蓋因和蘭多于1941年，弗韋與奧弗比克于1948年各自提出。因此，通常以四人名字的起首字母命名該理論，他們認為溶膠在一定條件下能否穩(wěn)定存在取決于膠粒之間相互作用的位能?？偽荒艿扔诜兜氯A吸引位能和由雙電層引起的靜電排斥位能之和。

這兩種位能都是膠粒間距離的函數(shù)，吸引位能與距離的六次方成反比，而靜電的排斥位能則隨距離按指數(shù)函數(shù)下降。第十頁，共六十八頁，2022年，8月28日膠體穩(wěn)定原理-DLVO理論顆粒間的范德華力雙電層靜電排斥能粒子間總作用能

溶膠是固體或大分子顆粒分散于液相的膠體體系，具有很大的界面存在，界面原子的吉布斯自由能比內(nèi)部原子高，粒子間便有相互聚結從而降低表面能的趨勢。增加體系中粒子間結合所須克服的能壘可使之在動力學上穩(wěn)定。增加粒子間能壘通常有三個基本途徑：(1)使膠粒帶表面電荷；(2)利用空間位阻效應；(3)利用溶劑化效應。

第十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠穩(wěn)定機制溶膠顆粒表面電荷來自膠粒晶格離子的選擇性電離，或選擇性吸附溶劑中的離子。金屬氧化物水溶膠，一般優(yōu)先吸附H＋或OH－。當pH>PZC時，膠粒表面帶負電荷；反之，則帶正電荷。根據(jù)DLVO理論，膠粒受到雙電層斥力和長程范德華引力二種作用，此外，膠粒間相互作用還有分子間的范德華力和由表層價電子重疊引起的短程波恩斥力。第十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日2.溶膠－凝膠合成方法基本原理水解反應：M(OR)n+xH2O→M(OH)

(OR)n-1+xR-OH

縮聚反應：(OR)n-1M-OH+HO-M(OR)n-1→(OR)n-1M-O-M(OR)n-1+H2O

m(OR)n-2M(OH)2→[(OR)n-2M-O]m+mH2Om(OR)n-3M(OH)3→[(OR)n-3M-O]m+mH2O+mH+

羥基與烷氧基之間也存在縮合反應

:1、醇鹽的水解-縮聚反應(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

第十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日2.溶膠－凝膠合成方法基本原理溶膠凝膠合成中常用的醇鹽陽離子M(OR)n陽離子M(OR)nSiSi(OCH3)4Si(OC2H5)4GeGe(OC2H5)4AlAl(O-iC3H7)3Al(O-sC4H9)3ZrZr(O-iC3H7)4TiTi(O-iC3H7)4Ti(OC4H9)4Ti(OC5H7)4YY(OC2H5)3BB(OCH3)3Ca(OC2H5)21、醇鹽的水解-縮聚反應第十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日水解反應：Mn+

＋nH2O→M(OH)n

＋nH+凝膠化2、無機鹽的水解-縮聚反應2.溶膠－凝膠合成方法基本原理脫水凝膠化堿性凝膠化膠粒脫水，擴散層中電解質濃度增加，凝膠化能壘逐漸減小

xM(H2O)nz++yOH-+aA-→MxOu(OH)y-2u(H2O)nAa(xz-y-a)++(xn+u-n)H2OA-——凝膠過程中所加入的酸根離子。當x=1時，形成單核聚合物；在x>1時，形成多核聚合物。Mz+可通過O2-、OH-、H2或A-與配體橋聯(lián)。第十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日在較高的溫度下通過可控制的成核作用和晶體生長獲得溶膠

金屬鹽在過量堿作用下于室溫迅速水解形成凝膠狀沉淀，將過量電解質洗去，加入強酸在較高的溫度下分散成溶膠2、無機鹽的水解-縮聚反應：濃縮法和分散法2.溶膠－凝膠合成方法基本原理第十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠合成方法的適用范圍第十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日塊體材料多孔材料纖維材料復合材料粉體材料薄膜及涂層材料溶膠凝膠第十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日

溶膠－凝膠合成法制備的塊體材料是指具有三維結構，且每一維尺度均大于1mm的各種形狀且無裂紋的產(chǎn)物。

1.塊體材料

根據(jù)所需獲得材料的性能需求，將前驅體進行水解、溶膠、凝膠、老化和干燥，最終通過熱處理工藝獲得材料

。

該方法制備塊體材料具有純度高、材料成分易控制、成分多元化、均勻性好、材料形狀多樣化、且可在較低的溫度下合成并致密化等優(yōu)點。

可以用于制備各種光學透鏡、功能陶瓷塊、梯度折射率玻璃等

。

成本較高，生產(chǎn)周期長，故不適宜材料大規(guī)模的生產(chǎn)

。

第十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日膠質晶態(tài)模板結構性多孔復制品氣凝膠塊體氣凝膠隔熱2.多孔材料多孔材料是由形成材料本身基本構架的連續(xù)固相和形成孔隙的流體所組成。

將金屬醇鹽溶解于低級醇中，水解得到相應金屬氧化物溶膠；調節(jié)pH值，納米尺度的金屬氧化物微粒發(fā)生聚集，形成無定形網(wǎng)絡結構的凝膠。將凝膠老化、干燥并作熱處理，有機物分解后，得到多孔金屬氧化物材料（一般為陶瓷）

溶膠－凝膠＋模板工藝多孔材料第二十頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠制備的Al2O3-YAG纖維

3.纖維材料前驅體經(jīng)反應形成類線性無機聚合物或絡合物，當粘度達10~100Pa·s時，可制成凝膠纖維，熱處理后可轉變成相應玻璃或陶瓷纖維?？朔藗鹘y(tǒng)直接熔融紡絲法因特種陶瓷難熔融而無法制成纖維的困難，工藝可以在低溫下進行，纖維陶瓷均勻性好、純度高。初始原料混合攪拌前驅體溶膠濃縮粘性溶膠紡絲凝膠纖維干燥熱處理陶瓷纖維第二十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.復合材料復合材料不同組分之間的復合材料

組成和結構不同的納米復合材料組成和結構均不同的組分所制備的納米復合材料

凝膠與其中沉積相組成的復合材料

干凝膠與金屬相之間的復合材料有機－無機雜化復合材料解決了材料的制備時在退火處理過程中，有機材料易分解的問題

第二十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日材料可摻雜范圍寬，化學計量準，易于改性溶膠凝膠制備陶瓷粉體具有制備工藝簡單、無需昂貴的設備大大增加多元組分體系化學均勻性反應過程易控制，可以調控凝膠的微觀結構產(chǎn)物純度高等5.粉體材料采用溶膠－凝膠合成法，將所需成分的前驅物配制成混合溶液，經(jīng)凝膠化、熱處理后，一般都能獲得性能指標較好的粉末。凝膠中含有大量液相或氣孔，在熱處理過程中不易使粉末顆粒產(chǎn)生嚴重團聚同時此法易在制備過程中控制粉末顆粒度。

鈦酸四丁脂體系納米TiO2粉末

第二十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.薄膜及涂層材料工藝流程：將溶液或溶膠通過浸漬法或旋轉涂膜法在基板上形成液膜，經(jīng)凝膠化后通過熱處理可轉變成無定形態(tài)（或多晶態(tài)）膜或涂層

成膜機理：采用適當方法使經(jīng)過處理的陶瓷基底和溶膠相接觸，在基底毛細孔產(chǎn)生的附加壓力下，溶膠傾向于進入基底孔隙，當其中介質水被吸入孔道內(nèi)同時膠體粒子的流動受阻在表面截留，增濃，縮合，聚結而成為一層凝膠膜。對浸漬法來說，凝膠膜的厚度與浸漬時間的平方根成正比，膜的沉積速度隨溶膠濃度增加而增加，隨基底孔徑增加而減小

優(yōu)點：膜層與基體的適當結合可獲得基體材料原來沒有的電學、光學、化學和力學等方面的特殊性能

第二十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日比較項PVDCVD溶膠－凝膠物質源生成膜物質的蒸汽含有膜元素的化合物蒸汽、反應氣體含膜元素的無機鹽、醇鹽或羧酸鹽等激活方式消耗蒸發(fā)熱、電離等提供激活能、高溫、化學自由能加熱處理制備溫度250~2000℃（蒸發(fā)源）25~適合溫度(基片)150~2000℃（基片）300~800℃（基片）膜結構單晶、多晶、非晶單晶、多晶、非晶膜致密性致密致密較致密膜附著性較好好好化學組成相組成均勻性一般較高高成本高高低溶膠凝膠法上涂層的PZT薄膜的微觀照片第二十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠合成工藝第二十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日1.溶膠－凝膠合成生產(chǎn)工藝種類Sol-Gel過程類型化學特征凝膠前驅體應用膠體型調整pH值或加入電解質使粒子表面電荷中和，蒸發(fā)溶劑使粒子形成凝膠密集的粒子形成凝膠網(wǎng)絡凝膠中固相含量較高凝膠透明，強度較弱前驅體溶膠是由金屬無機化合物與添加劑之間的反應形成的密集粒子粉末薄膜無機聚合物型前驅體水解和聚合由前驅體得到的無機聚合物構成的凝膠網(wǎng)絡剛形成的凝膠體積與前驅體溶液體積完全一樣證明凝膠形成的參數(shù)－凝膠時間隨著過程中的其它參數(shù)變化而變化凝膠透明主要是金屬烴氧化物薄膜塊體纖維粉末絡合物型絡合反應導致較大混合配合體的絡合物的形成由氫鍵連接的絡合物構成凝膠網(wǎng)絡凝膠在濕氣中可能會溶解凝膠透明金屬醇鹽、硝酸鹽或醋酸鹽薄膜粉末纖維第二十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日不同溶膠－凝膠過程中凝膠的形成

微粒的形成(gel)前驅體溶液絡合物前驅體水解產(chǎn)物(sol)凝膠(gel)化學添加劑調節(jié)pH值或加入電解質中和微粒表面電荷蒸發(fā)溶劑H2O催化劑縮聚反應絡合劑減壓蒸發(fā)1.溶膠－凝膠合成生產(chǎn)工藝種類第二十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日2.溶膠－凝膠合成生產(chǎn)設備

12345電力攪拌溶膠－凝膠合成反應示意圖1.回流裝置2.電力式脈動器3.溫度計4.容器5.水熱裝置1234567磁力攪拌溶膠－凝膠合成反應示意圖1.容器2.密封蓋板3.反應溶液4.轉動磁子5.磁力攪拌器加熱板6.溫度調節(jié)器7.轉速調節(jié)器

第二十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日3.溶膠-凝膠工藝過程

Sol-gel合成材料溶液－溶膠化凝膠化－成型固化處理超細粉和溶液機械混合形成膠液

金屬無機化合物或金屬醇鹽水解

金屬有機化合物水解

干燥熱處理溶膠-凝膠工藝過程第三十頁，共六十八頁，2022年，8月28日前驅體溶液透明溶膠成膜過程成纖過程霧化收集濕凝膠薄膜纖維粉末干凝膠水和催化劑固化處理階段成品凝膠成型過程

3.溶膠-凝膠工藝過程

第三十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.溶膠-凝膠工藝參數(shù)

溶膠凝膠溶膠－凝膠凝膠處理干燥及熱處理前驅體選擇反應配比反應時間溶液pH值反應時間金屬離子半徑絡合劑催化劑干燥方法熱處理工藝老化方式老化時間靜止老化加入老化液常壓干燥超臨界干燥冷凍干燥第三十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.溶膠-凝膠工藝參數(shù)

前驅體選擇金屬醇鹽金屬無機鹽易水解、技術成熟、可通過調節(jié)pH值控制反應進程價格昂貴、金屬原子半徑大的醇鹽反應活性極大、在空氣中易水解、不易大規(guī)模生產(chǎn)、受OR烷基的體積和配位影響價格低廉、易產(chǎn)業(yè)化受金屬離子大小、電位性及配位數(shù)等多種因素影響第三十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.溶膠-凝膠工藝參數(shù)

水解度的影響TEOS水金屬醇鹽物質量比水解度R水解度R≤2，水解反應則產(chǎn)生了部分水解的帶有-OH的硅烷，從而消耗掉大部分水，縮聚反應較早發(fā)生，形成TEOS的二聚體，硅酸濃度減少，凝膠時間延長

研究表明水解度R≥2，TEOS(正硅酸乙酯)水解反應使大部分的-OR基團脫離，產(chǎn)生-OH基團，形成了部分水解的帶有-OH的硅烷，在這些部分水解的硅烷之間容易反應形成二聚體，這些二聚體不再進行水解，而是發(fā)生交聯(lián)反應形成三維網(wǎng)絡結構，從而縮短了凝膠化時間.

第三十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.溶膠-凝膠工藝參數(shù)

催化劑的影響反應速率pH值對TEOS水解、縮聚反應速率的影響

第三十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.溶膠-凝膠工藝參數(shù)

反應溫度的影響反應溫度對凝膠時間以及是否凝膠有直接關系升高溫度可以縮短體系的凝膠時間提高溫度對醇鹽的水解有利對水解活性低的醇鹽（如硅醇鹽），常在加熱下進行水解，當體系的溫度升高后，體系中分子的平均動能增加，分子運動速率提高，這樣就提高了反應基團之間的碰撞的幾率，而且可以使更多的前驅體原料成為活化分子，這相當于提高了醇鹽的水解活性，從而促進了水解反應的進行，最終縮短了凝膠時間。

第三十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.溶膠-凝膠工藝參數(shù)

絡合劑的使用前驅體溶解度小反應活性大水解速度過快絡合劑減緩反應速率避免沉淀乙酰丙酮醋酸二乙醇胺Ti(OPri)4+AcAcH→Ti(OPri)AcAcH+PriOH

(鈦原子的配位數(shù)由4增加到5)例在水解初期，(OPri)配位體首先被水移走，然而AcAc配位可保持時間相當長的時間，甚至大量的水不能去除，在水解反應最后，仍有少量的鈦原子與AcAcH鍵合，這些配位體阻止了進一步的聚合，形成穩(wěn)定的膠體溶液第三十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日反應實例第三十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠法應用（1）—氣凝膠氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結構成的納米多孔網(wǎng)絡固態(tài)非晶材料，其多孔率可達到80~99.8%，比表面積可高達到800~1000m2/g以上。氣凝膠具有很低的密度，美國LarryHrubesh領導的研究者曾經(jīng)制備了密度僅為0.003g/cm3的氣凝膠，其密度僅為空氣的三倍，被稱為“固體煙”。

前驅體溶膠水聚合凝膠氣凝膠氣凝膠形成示意圖

第三十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠法應用（1）—氣凝膠水解縮聚脫水工藝流程第四十頁，共六十八頁，2022年，8月28日氣凝膠樣品進行的表面形貌分析溶膠－凝膠法應用（1）—氣凝膠第四十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠凝膠法制備的氧化鋯涂層溶膠－凝膠法應用（2）—ZrO2耐熱涂層

第四十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日氧化鋯涂層和基體的微觀照片(a)鎂合金基板；(b)氫氟酸處理的基板；(c)涂有氧化鋯的涂層(低倍數(shù))；(d)氧化鋯的涂層(高倍數(shù))溶膠－凝膠法應用（2）—ZrO2耐熱涂層

第四十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日應用實例（3）：溶膠凝膠-自蔓延制備生物玻璃粉體

溶膠-凝膠自蔓延合成技術兼具溶膠-凝膠技術和自蔓延高溫合成技術的優(yōu)點，它是指有機鹽凝膠或有機鹽(燃料)與金屬硝酸鹽在加熱過程中發(fā)生氧化還原反應，燃燒產(chǎn)生大量的氣體，可自我維持并合成所需燃燒物的材料的合成工藝。本實例是采用溶膠-凝膠自蔓延方法制備一種生物玻璃超細陶瓷粉體。通常用于制備生物玻璃陶瓷材料粉末的方法是高溫熔化(HTM)法。這種方法制備周期短，過程簡單，是一種傳統(tǒng)的玻璃制備方法。粉末的TEM圖

(a)研細前的SGS粉(b)研細后的SGS粉(c)研細后的SG粉

第四十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠法的優(yōu)勢起始原料是分子級的能制備較均勻的材料較高的純度組成成分較好控制，尤其適合制備多組分材料可降低程序中的溫度具有流變特性，可用于不同用途產(chǎn)品的制備可以控制孔隙度容易制備各種形狀第四十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日溶膠－凝膠法的缺陷原料成本較高存在殘留小孔洞存在殘留的碳較長的反應時間有機溶劑對人體有一定的危害性第四十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日零電荷點

pointofzerocharge；P.Z.C.

當溶液中決定電位離子的濃度為某一特定值時，固體表面上的凈電荷等于零，兩相(固/液)之間由自由電荷引起的電位差也為零，此時溶液中決定電位離子的濃度稱為零電荷點(P.Z.C.)。

與其密切相關的另一物理量是等電點(I.P.C)，它指的是固體表面的ζ電勢為零的情形。

在沒有特性吸附離子存在時，等電點與零電荷點的數(shù)值相同。第四十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日常見的烷基有：甲基CH3—（Me）乙基CH3CH2—（Et）正丙基CH3CH2CH2—（n-Pr）異丙基（CH3）2CH—（iso-Pr）正丁基CH3CH2CH2CH2—（n-Bu）異丁基（CH3）2CHCH2—（iso-Bu）

仲丁基（sec-Bu）

叔丁基（CH3)3C—（ter-Bu）第四十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日滲析：又稱透析。一種以濃度差為推動力的膜分離操作，利用膜對溶質的選擇透過性,實現(xiàn)不同性質溶質的分離。即利用半透膜能透過小分子和小離子但不能透過膠體粒子的性質從溶膠中除掉作為雜質的小分子或離子的過程。

第四十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日PZT壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛)是將二氧化鉛、鋯酸鉛、鈦酸鉛在1200度高溫下燒結而成的多晶體。

它是PbZrO3和PbTiO3的固溶體，具有鈣鈦礦型結構。PbTiO3和PbZrO3是鐵電體和反鐵電體的典型代表，因為Zr和Ti屬于同一副族，PbTiO3和PbZrO3具有相似的空間點陣形式，但兩者的宏觀特性卻有很大的差異，鈦酸鉛為鐵電體，其居里溫度為492℃，而鋯酸鉛卻是反鐵電體，居里溫度為232℃，如此大的差異引起了人們的廣泛關注。研究PbTiO3和PbZrO3的固溶體后發(fā)現(xiàn)PZT具有比其它鐵電體更優(yōu)良的壓電和介電性能，PZT以及摻雜的PZT系列鐵電陶瓷成為近些年研究的焦點

PVD是英文PhysicalVaporDeposition（物理氣相沉積）的縮寫，是指在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電技術，利用氣體放電使靶材蒸發(fā)并使被蒸發(fā)物質與氣體都發(fā)生電離，利用電場的加速作用，使被蒸發(fā)物質及其反應產(chǎn)物沉積在工件上。

CVD(ChemicalVaporDeposition,化學氣相淀積)，指把含有構成薄膜元素的氣態(tài)反應劑或液態(tài)反應劑的蒸氣及反應所需其它氣體引入反應室，在襯底表面發(fā)生化學反應生成薄膜的過程。在超大規(guī)模集成電路中很多薄膜都是采用CVD方法制備。經(jīng)過CVD處理后，表面處理膜密著性約提高30%，防止高強力鋼的彎曲，拉伸等成形時產(chǎn)生的刮痕。

第五十頁，共六十八頁，2022年，8月28日

冷凍干燥又稱升華干燥。將含水物料冷凍到冰點以下，使水轉變?yōu)楸?，然后在較高真空下將冰轉變?yōu)檎魵舛サ母稍锓椒?。物料可先在冷凍裝置內(nèi)冷凍，再進行干燥。但也可直接在干燥室內(nèi)經(jīng)迅速抽成真空而冷凍。升華生成的水蒸氣借冷凝器除去。升華過程中所需的汽化熱量，一般用熱輻射供給。其主要優(yōu)點是：1.干燥后的物料保持原來的化學組成和物理性質(如多孔結構、膠體性質等)；2.熱量消耗比其他干燥方法少。缺點是費用較高，不能廣泛采用。用于干燥抗生素、蔬菜和水果等。超臨界干燥溶膠-凝膠法制備納米多孔材料干燥過程的一種工藝。由于凝膠骨架內(nèi)部的溶劑存在表面張力，在普通的干燥條件下會造成骨架的坍縮。超臨界干燥旨在通過壓力和溫度的控制，使溶劑在干燥過程中達到其本身的臨界點，完成液相至氣相的超臨界轉變。過程中溶劑無明顯表面張力，在維持骨架結構的前提下完成濕凝膠相氣凝膠的轉變。超臨界干燥使用的器具為高壓釜，高壓釜的密閉性要求高。通常超臨界干燥工藝需要的實驗周期相對較長、產(chǎn)量較低、成本較高，制備要求較嚴格產(chǎn)品。第五十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日氣凝膠

又稱為干凝膠。當凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網(wǎng)狀結構中充滿的介質是氣體，外表呈固體狀，這即為干凝膠，也稱為氣凝膠。如明膠、阿拉伯膠、硅膠、毛發(fā)、指甲等。氣凝膠也具凝膠的性質，即具膨脹作用、觸變作用、離漿作用。世界最輕的固體，密度僅為3.55千克每立方米，僅為空氣密度的2.75倍；主要由純二氧化硅等組成。在制作過程中，液態(tài)硅化合物首先與能快速蒸發(fā)的液體溶劑混合，形成凝膠，然后將凝膠放在一種類似加壓蒸煮器的儀器中干燥，并經(jīng)過加熱和降壓，形成多孔海綿狀結構。瓊斯博士最終獲得的氣凝膠中空氣比例占到了99.8％。第五十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日第五十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日第五十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日氣凝膠

氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。別看這種氣凝膠貌似“弱不禁風”，其實非常堅固耐用。它可以承受相當于自身質量幾千倍的壓力，在溫度達到1200攝氏度時才會熔化。此外它的導熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。由于具備這些特性，氣凝膠便成為航天探測中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進行熱絕緣。氣凝膠在航天中的應用遠不止這些，美國國家宇航局的“星塵”號飛船正帶著它在太空中執(zhí)行一項十分重要的使命———收集彗星微粒?？茖W家認為，彗星微粒中包含著太陽系中最原始、最古老的物質，研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。2006年，“星塵”號飛船將帶著人類獲得的第一批彗星星塵樣品返回地球。第五十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日氣凝膠星塵號探測器攜帶的氣凝膠所捕捉到的彗星塵埃第五十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日氣凝膠

但收集彗星星塵并不是件容易的事，它的速度相當于步槍子彈的6倍，盡管體積比沙粒還要小，可是當它以如此高速接觸其它物質時，自身的物理和化學組成都有可能發(fā)生改變，甚至完全被蒸發(fā)。如今科學家有了氣凝膠，這個問題就變得很簡單了。它就像一個極其柔軟的棒球手套，可以輕輕地消減彗星星塵的速度，使它在滑行一段相當于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進入“氣凝膠手套”后，星塵會留下一段胡蘿卜狀的軌跡，由于氣凝膠幾乎是透明的，科學家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。第五十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日氣凝膠

化學家打賭時發(fā)明氣凝膠氣凝膠俗稱“冷凍煙霧”，將硅膠中的水提取出來，然后用諸如二氧化碳之類的氣體取代水的方法制成的。得到的這種物質有很好的隔熱能力，還能吸收象原油一樣的污染物。1931年，美國一位化學家與同事打賭，將普通硅膠的水分取掉，再注入二氧化碳等氣體，結果產(chǎn)生了一種如夢如幻的固體。這種固體的特別之處在于，盡管它號稱固體，但99％的物質卻是氣體，因此，外界給它起了個“凍結的煙霧”的綽號。早期的氣凝膠非常易碎和昂貴。1996年前美國宇航局開始對這種物質感興趣，并讓其發(fā)揮更為實際的用途.第五十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日氣凝膠

2002年，美國宇航局創(chuàng)立的阿斯彭氣凝膠(AspenAerogel)公司生產(chǎn)了一種更堅固、更柔韌的氣凝膠。現(xiàn)在它正用來為人類首次登陸火星時所穿的太空服研制一種保溫隔熱襯里，派宇航員登陸火星預定于2018年進行。該公司的一位資深科學家馬克·克拉耶夫斯基認為，一層18毫米的氣凝膠將足以保護宇航員抵御零下130度的低溫。他說：“它是我們所見過的最棒的絕熱材料?！爆F(xiàn)在還在用氣凝膠作未來的防彈住宅和軍用車輛裝甲的測試。在實驗室中，一個涂有6毫米氣凝膠的金屬板在炸藥爆炸中幾乎毫發(fā)無損。它還有環(huán)保的優(yōu)點。氣凝膠被科學家們描述為“終極海綿”，其表面的數(shù)百萬小孔使其成為在水中吸附污染物的理想材料?？{茨迪斯已經(jīng)研制出一種新型氣凝膠，用于除去水中的鉛和水銀。其它形式的氣凝膠可吸附溢出的油。第五十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日氣凝膠-----氣凝膠正走進日常生活運動器材公司鄧祿普(Dunlop)已經(jīng)研制出一系列用氣凝膠加固的壁球和網(wǎng)球球拍，據(jù)說這種球拍能釋放更大的力量。今年初，英國諾丁漢66歲的鮑勃·斯托克爾擁有了一套用氣凝膠隔熱的房子，他也因此成為擁有這種房子的第一位英國人。他說：“保溫效果大大改善了。我把自動調溫器調低了5度。這真是一個不可思議的變化?！钡诹摚擦隧?，2022年，8月28日氣凝膠

登山者也開始從氣凝膠中受益。去年，一位英國登山者安妮·帕曼特爾穿上帶氣凝膠鞋墊的靴子爬上珠穆朗瑪峰，就連睡袋也加有這種材料。她說：“我唯一的問題就是我的腳太熱，這對一名登山者來說是一個大難題?！辈贿^，它還沒能征服時尚界。HugoBoss公司推出了一系列用這種材料制成的冬季夾克，但在消費者紛紛抱怨這種衣服太熱之后不得不下架。第六十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日氣凝膠

盡管氣凝膠屬于一種固體，但這種物質99%是由氣體構成，這使得它外觀看起來像云一樣?？茖W家們表示，因為它有數(shù)百萬小孔和皺摺，所以如果把1立方厘米的氣凝膠拆開，它會填滿一個有足球場那么大的地方。它的小孔不僅能像一塊海綿一樣吸附污染物，還能充當氣穴。研究人員認為，一些形式的由鉑金制成的氣凝膠能用于加速氫的產(chǎn)生。這樣的話，氣凝膠就能用來生產(chǎn)以氫為基礎的燃料。氣凝膠內(nèi)含大量的空氣，典型的孔洞線度在l—l00納米范圍，孔洞率在80%以上，是一種具有納米結構的多孔材料，在力學、聲學、熱學、光學等諸方面均顯示其獨特性質。它們明顯不同于孔洞結構在微米和毫米量級的多孔材料，其纖細的納米結構使得材料的熱導率極低，具有極大的比表面積．對光、聲的散射均比傳統(tǒng)的多孔性材料小得多，這些獨特的性質不僅使得該材料在基礎研究中引起人們興趣，而且在許多領域蘊藏著廣泛的應用前景。第六十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日氣凝膠

在分形結構研究方而，硅氣凝膠作為一種結構可控的納米多孔材料，其表現(xiàn)密度明顯依賴于標度尺寸，在一定尺度范圍內(nèi)，其密度往往具有標度不變性，即密度隨尺度的增加而下降，而且具有自相似結構，在氣凝膠分形結構動力學研究方面的結構還表明，在不同尺度范圍內(nèi)，有三個色散關系明顯不同的激發(fā)區(qū)域，分別對應于聲子、分形子和粒子模的激發(fā)。改變氣凝膠的制備條件，可使其關聯(lián)長度在兩個量級的范圍內(nèi)變化。因此硅氣凝膠已成為研究分形結構及其動力學行為的最佳材料。在“863”高技術強激光研究方面，納米多孔材料具有重要應用價值，如利用低于臨界密度的多孔靶材料，可望提高電子碰撞激發(fā)產(chǎn)生的X光激光的光束質量，節(jié)約驅動能，利用微球形節(jié)點結構的新型多孔靶，能夠實現(xiàn)等離于體三維絕熱膨脹的快速冷卻，提高電子復合機制產(chǎn)生的x光激光的增益系數(shù)，利用超低密度材料吸附核燃料，可構成激光慣性約束聚變的高增益冷凍靶。氣凝膠纖細的納米多孔網(wǎng)絡結構、巨大的比表面積、結構介觀尺度上可控，成為研制新型低密度靶的最佳候選材料。。