第三章-溶膠凝膠法-課件

第3章溶膠-凝膠合成基本概念溶膠-凝膠法發(fā)展歷程溶膠-凝膠基本原理溶膠-凝膠合成溶膠-凝膠工藝過程溶膠-凝膠法特點溶膠-凝膠合成方法應(yīng)用舉例

(1)膠體粒子：是指10–10000?（1000nm)粒子

(2)膠體體系是指分散介質(zhì)(dispersingmedium)中含有分散相(dispersedphase)膠體粒子,一般分為:

A.氣溶膠(Aerosol),分散介質(zhì)為氣體氣-固溶膠(s/g)如煙，含塵的空氣氣-液溶膠(l/g)如霧，云

B.液溶膠,分散介質(zhì)為液體液-固溶膠(Sol,dispersion),(s/l)AlOOH

、AgI溶膠液-液溶膠(Emusion),(l/l)牛奶，石油原油等乳狀液液-氣溶膠(Foam),(g/l)泡沫3.1溶膠-凝膠法的基本概念2ppt課件C.固溶膠,分散介質(zhì)為固體(固體乳膠)固-固溶膠(Soliddispersion),(s/s),有色玻璃，不完全互溶的合金固-液溶膠(Solidemusion),(l/s),如珍珠，某些寶石固-氣溶膠(Solid(Foam),(g/s),泡沫塑料3ppt課件膠體體系的特點：多相不均勻性多分散性，膠團結(jié)構(gòu)聚結(jié)的不穩(wěn)定性膠團組成與結(jié)構(gòu)的不確定性膠體溶液（溶膠）與真溶液的區(qū)別：熱力學(xué)上不穩(wěn)定的物系多相體系，分散相與分散質(zhì)存在相界面膠態(tài)粒子大小不一，要用平均膠團量及其分布曲線表示膠團無確定的組成與結(jié)構(gòu)，且可分裂，受外界條件和添加劑影響很大

4ppt課件Sol的判斷

1869年Tyndall發(fā)現(xiàn)，若令一束會聚光通過溶膠，從側(cè)面（即與光束垂直的方向）可以看到一個發(fā)光的圓錐體，這就是Tyndall效應(yīng)。其他分散體系也會產(chǎn)生一點散射光，但遠不如溶膠顯著。Tyndall效應(yīng)實際上已成為判別溶膠與分子溶液的最簡便的方法。

5ppt課件Sol的膠凝－凝膠當(dāng)溶膠發(fā)生熱、化學(xué)變化，或溶劑失去時，使膠體粒子濃度增加，粒子之間距離靠近，或荷電為零，從而使膠體粒子的構(gòu)成分子之間縮聚或聚合，形成具有分散液體在空隙或膠團內(nèi)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其過程稱為膠凝，膠凝的產(chǎn)物就叫凝膠。6ppt課件3.1溶膠-凝膠法的基本概念溶膠（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(zhì)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(jié)構(gòu)固定不能自由移動溶液溶膠凝膠

溶膠-凝膠法：就是用含高化學(xué)活性組分的液體化合物作前驅(qū)體（金屬有機醇鹽或無機化合物），在液相下將這些原料均勻混合，并進行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，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(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動性的溶劑。凝膠經(jīng)過干燥（干凝膠）、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)的材料。溶解前驅(qū)體溶液溶膠凝膠凝膠水解縮聚老化Sol-gelprocessSolution,溶液Sol，膠體Gelation，溶膠凝膠轉(zhuǎn)變Gel，凝膠Products,產(chǎn)物11ppt課件3.2溶膠-凝膠法的發(fā)展歷程1846年Ebelmen發(fā)現(xiàn)凝膠80年代后玻璃、氧化物涂層功能陶瓷粉料復(fù)合氧化物陶瓷材料重要化學(xué)合成方法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-B2O3-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(粉體、薄膜、纖維、晶須、塊體)1994年7月在美國加利福尼亞的圣地亞哥舉行的關(guān)于Sol－Gel光子學(xué)的會議上，展示了三種很有前途的產(chǎn)品：西班牙的D.Levy小組演示了液晶顯示器。愛爾蘭的B.D.MacCraith發(fā)明的光纖傳感器。法國的J.Livage制備的生物寄生檢測器溶膠凝膠的典型例子豆?jié){，sol豆腐,gel14ppt課件溶膠凝膠是一個過程黃豆、大豆豆?jié){Sol研磨、加熱豆腐Gel加鈣鹽(石膏

)脫水（油炸）豆腐果Gel果蔬豆腐、魚肉豆腐、蛋白豆腐、七彩豆腐…15ppt課件3.3溶膠-凝膠基本原理一、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(jié)構(gòu)。被吸附的離子與固體表面結(jié)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（PZC）。φ0+++++++－－－－－－－－－－ABζDistancexfromsurface+++++++++++++++----------------ParticleSurfacechargeliquid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(jié)從而降低表面能的趨勢。增加體系中粒子間結(jié)合所須克服的能壘可使之在動力學(xué)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(yīng)；(3)利用溶劑化效應(yīng)。

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。對金屬氧化物水溶膠，一般優(yōu)先吸附H＋或OH－。當(dāng)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。二、溶膠-凝膠合成方法基本原理1、醇鹽的水解-縮聚反應(yīng)水解反應(yīng)：M(OR)n+xH2O→M(OH)x(OR)n-x+xR-OH

縮聚反應(yīng)：(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(yīng):(OR)n-x(HO)x-lM-OH+ROM(OR)n-x-l(OH)x→(OR)n-x(OH)M-O-M(OR)n-x-l(OH)x(OH)x+R-OH

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)2以原硅酸甲酯為例OCH3OCH3部分水解2CH3O—Si—OCH3+2H2OOCH3OCH3CH3O—Si—OH回流OCH3OCH3CH3O—Si——O——Si—OCH3OCH3OCH3OCH3+CH3O—Si—OH縮聚OHO—Si—O—Si—O—Si—OCH3OHOHOHOHOH—Si—OHOCH3OOH—Si—OHOCH3+2CH3OH回流蒸餾聚合OCH324ppt課件2、無機鹽的水解-縮聚反應(yīng)水解反應(yīng)：Mn+

＋nH2O→M(OH)n

＋nH+凝膠化脫水凝膠化堿性凝膠化膠粒脫水，擴散層中電解質(zhì)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(dāng)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)。簡言之，隨著pH值的增加，膠粒表面正電荷減少，能壘高度降低。例1.AlOOHsolAl(NO3)3+H2OAlOOHAlOOHsolAlOOHgelAl2O3沉淀溶膠,物理膠體Peptization（膠溶）蒸餾，濃縮干燥，灼燒26ppt課件Simplifiedchartofsol-gelprocesses27ppt課件Pechini法：檸檬酸+乙二醇

----聚酯化檸檬酸鹽法：硝酸鹽+檸檬酸---燃燒C—C—C—C—COHCOO(H)OO(H)M2+OHO—OH使金屬離子和含羥基的羧酸形成螯合物，適當(dāng)溫度下縮合（使發(fā)生脂化反應(yīng)）形成溶膠（回流），進一步蒸餾，除去生成的過量水，進一步脂化、縮合，形成凝膠，然后干燥、灼燒成超微粉。3.4溶膠-凝膠合成方法的適用范圍溶膠凝膠塊體材料多孔材料纖維材料復(fù)合材料粉體材料薄膜及涂層材料溶膠－凝膠合成法制備的塊體材料是指具有三維結(jié)構(gòu)，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(qū)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進行合成并致密化等優(yōu)點。

可以用于制備各種光學(xué)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)

。

2.多孔材料多孔材料是由形成材料本身基本構(gòu)架的連續(xù)固相和形成孔隙的流體所組成。

氣凝膠塊體氣凝膠隔熱

膠質(zhì)晶態(tài)模板結(jié)構(gòu)性多孔復(fù)制品溶膠-凝膠＋模板工藝多孔材料最輕的材料——氣凝膠氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，世界上密度最小的固體。密度為3kg/立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其最早由美國科學(xué)工作者Kistler在1931年制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等等。aerogel是個組合詞，此處aero是形容詞，表示飛行的，gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質(zhì)的gel只要可以經(jīng)干燥后除去內(nèi)部溶劑后，又可基本保持其形狀不變，且產(chǎn)物高孔隙率、低密度，則皆可以稱之為氣凝膠。

因為密度極低，目前最輕的硅氣凝膠僅有0.16毫克每立方厘米，比空氣密度略低，所以也被叫做“凍結(jié)的煙”或“藍煙”。由于里面的顆粒非常?。{米量級），所以可見光經(jīng)過它時散射較小（瑞利散射），就像陽光經(jīng)過空氣一樣。因此，它也和天空一樣看著發(fā)藍（如果里面沒有摻雜其它東西），如果對著光看有點發(fā)紅。（天空是藍色的，而傍晚的天空是紅色的）。由于氣凝膠中一般80%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)20至30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間，玫瑰也會絲毫無損。氣凝膠在航天探測上也有多種用途，在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實驗中，使用來作為切連科夫效應(yīng)的探測器。位在高能加速器研究機構(gòu)B介子工廠的Belle實驗探測器中一個稱為氣凝膠切連科夫計數(shù)器(AerogelCherenkovCounter,ACC)的粒子鑒別器，就是一個最新的應(yīng)用實例。這個探測器利用的氣凝膠的介于液體與氣體之低折射系數(shù)特性，還有其高透光度與固態(tài)的性質(zhì)，優(yōu)于傳統(tǒng)使用低溫液體或是高壓空氣的作法。同時，其輕量的性質(zhì)也是優(yōu)點之一。簡介

34ppt課件

氣凝膠最初是由S.Kistler命名，由于他采用超臨界干燥方法成功制備了二氧化硅氣凝膠，故將氣凝膠定義為：濕凝膠經(jīng)超臨界干燥所得到的材料，稱之為氣凝膠。在90年代中后期，隨著常壓干燥技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，90年代中后期普遍接受的氣凝膠的定義是：不論采用何種干燥方法，只要是將濕凝膠中的液體被氣體所取代，同時凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結(jié)構(gòu)特征是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率，其體密度在0.003-0.500g/cm-3范圍內(nèi)可調(diào)。（空氣的密度為0.0129g/cm-3）。

氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構(gòu)成。在溶膠凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應(yīng)條件，在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)的納米團簇，團簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態(tài)骨架周圍則充滿化學(xué)反應(yīng)后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的破壞，采用超臨界干燥工藝處理，把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內(nèi)的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體，氣液界面消失，表面張力不復(fù)存在，此時將這種超臨界流體從壓力容器中釋放，即可得到多孔、無序、具有納米量級連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度氣凝膠材料。

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(jié)構(gòu)的多孔材料，在力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等諸方面均顯示其獨特性質(zhì)。它們明顯不同于孔洞結(jié)構(gòu)在微米和毫米量級的多孔材料，其纖細的納米結(jié)構(gòu)使得材料的熱導(dǎo)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(zhì)不僅使得該材料在基礎(chǔ)研究中引起人們興趣，而且在許多領(lǐng)域蘊藏著廣泛的應(yīng)用前景。制備

氣凝膠，作為世界最輕的固體，已入選吉尼斯世界紀錄。這種新材料密度僅為3.55千克每立方米，僅為空氣密度的2.75倍；干燥的松木密度（500千克每立方米）是它的140倍。這種物質(zhì)看上去像凝固的煙，但它的成分與玻璃相似。由于它的密度極小，用于航空航天方面非常合適。美宇航局噴氣推進實驗室，該實驗室瓊斯博士研制出的新型氣凝膠，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(jié)構(gòu)。瓊斯博士最終獲得的氣凝膠中空氣比例占到了99.8%。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”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，最高能承受1400攝氏度的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測上有多種用途。俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器上，都用到了氣凝膠材料。美國國家宇航局研制出的一種新型氣凝膠，由于密度只有每立方厘米3毫克，日前已經(jīng)作為“世界上密度最低的固體”正式入選《吉尼斯世界紀錄》。這種氣凝膠呈半透明淡藍色，重量極輕，因此人們也把它稱為“固態(tài)煙”。新型氣凝膠是由美國國家宇航局下屬的“噴氣推進實驗室”材料科學(xué)家史蒂芬·瓊斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一樣也是二氧化硅，但因為它99.8%都是空氣，所以密度只有玻璃的千分之一。氣凝膠貌似“弱不禁風(fēng)”，其實非常堅固耐用。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)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(dǎo)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(yīng)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(xué)家認為，彗星微粒中包含著太陽系中最原始、最古老的物質(zhì)，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。特性

1、制作火星探險宇航服2002年，美國宇航局成立了一家公司，專門生產(chǎn)更結(jié)實更有韌性的氣凝膠。美國宇航局2013年已經(jīng)確定，在2018年火星探險時，宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服。該公司的資深科學(xué)家馬克·克拉杰沃斯基說，只要在宇航服中加入一個18毫米厚的氣凝膠層，那么它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫?！斑@是我見過的最有效的恒溫材料?！瘪R克如是說。2、防彈不怕被炸防彈是新型氣凝膠的第二個重要用途。美國宇航局的這家公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進行測試。根據(jù)試驗室的試驗情況來看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那么，就算炸藥直接炸中，對金屬片也分毫無傷。3、可處理生態(tài)災(zāi)難環(huán)保是新型氣凝膠的第三個重要作用?？茖W(xué)家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿”，因為其表面有成百上千萬的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美國科學(xué)家新發(fā)明的氣凝膠居然能吸出水中的鉛和水銀。據(jù)這位科學(xué)家稱，這種氣凝膠是處理生態(tài)災(zāi)難的絕好材料，比如說1996年“海上快車”油輪沉沒后，72000噸原油外泄，如果當(dāng)時用上這種材料的話，那么就不會導(dǎo)致整個海岸受到嚴重的污染。4、網(wǎng)球拍擊球能力更強新型氣凝膠也將步入我們每個人的未來日常生活。比如說美國的Dunlop體育器材公司已經(jīng)成功研發(fā)了含有氣凝膠的網(wǎng)球拍。這種網(wǎng)球拍據(jù)說擊球的能力更強；2012年年初，66歲的鮑博·斯托克成為第一個將氣凝膠用于住房的英國人：“保溫加熱的效果非常好，我將空調(diào)的溫度下降了5℃，結(jié)果室內(nèi)的溫度仍然非常舒適?！钡巧秸咭矊饽z的運用充滿了希望。英國登山家安尼·帕爾門特2011年登珠峰時所穿的鞋子就是使用了部分氣凝膠材料，他的睡袋里也有一層這種新材料。用途3.纖維材料前驅(qū)體經(jīng)反應(yīng)形成類線性無機聚合物或絡(luò)合物，當(dāng)粘度達10~100Pa·s時，通過挑絲或漏絲法可制成凝膠纖維，熱處理后可轉(zhuǎn)變成相應(yīng)玻璃或陶瓷纖維克服了傳統(tǒng)直接熔融紡絲法因特種陶瓷難熔融而無法制成纖微的困難，工藝可以在低溫下進行，纖維陶瓷均勻性好、純度高

溶膠-凝膠制備的Al2O3-YAG纖維

初始原料混合攪拌前驅(qū)體溶膠濃縮粘性溶膠紡絲凝膠纖維干燥熱處理陶瓷纖維組成和結(jié)構(gòu)不同的納米復(fù)合材料組成和結(jié)構(gòu)均不同的組分所制備的納米復(fù)合材料

凝膠與其中沉積相組成的復(fù)合材料

干凝膠與金屬相之間的復(fù)合材料有機－無機雜化復(fù)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

不同組分之間的復(fù)合材料

4.復(fù)合材料5.粉體材料采用溶膠-凝膠合成法，將所需成分的前驅(qū)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(biāo)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。

材料可摻雜范圍寬，化學(xué)計量準(zhǔn)，易于改性溶膠凝膠制備陶瓷粉體具有制備簡單、無需昂貴的設(shè)備大大增加多元組分體系化學(xué)均勻性反應(yīng)過程易控制，可以調(diào)控凝膠的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)物純度高等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(zhuǎn)涂膜法在基板上形成液膜，經(jīng)凝膠化后通過熱處理可轉(zhuǎn)變成無定形態(tài)（或多晶態(tài)）膜或涂層。

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

成膜機理：采用適當(dāng)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(dāng)其中介質(zhì)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(jié)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。比較項PVDCVD溶膠-凝膠物質(zhì)源生成膜物質(zhì)的蒸汽含有膜元素的化合物蒸汽、反應(yīng)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(xué)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(jié)構(gòu)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(xué)組成相組成均勻性一般較高高成本高高低1.溶膠-凝膠合成生產(chǎn)工藝種類不同溶膠－凝膠過程中凝膠的形成

微粒的形成(gel)前驅(qū)體溶液絡(luò)合物前驅(qū)體水解產(chǎn)物(sol)凝膠(gel)化學(xué)添加劑調(diào)節(jié)pH值或加入電解質(zhì)中和微粒表面電荷蒸發(fā)溶劑H2O催化劑縮聚反應(yīng)絡(luò)合劑減壓蒸發(fā)3.5溶膠-凝膠合成工藝膠體型絡(luò)合物型無機聚合物型Sol-Gel過程類型化學(xué)特征凝膠前驅(qū)體應(yīng)用膠體型調(diào)整pH值或加入電解質(zhì)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(luò)凝膠中固相含量較高凝膠透明，強度較弱前驅(qū)體溶膠是由金屬無機化合物與添加劑之間的反應(yīng)形成的密集粒子粉末薄膜無機聚合物型前驅(qū)體水解和聚合由前驅(qū)體得到的無機聚合物構(gòu)成的凝膠網(wǎng)絡(luò)剛形成的凝膠體積與前驅(qū)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(luò)合物型絡(luò)合反應(yīng)導(dǎo)致較大混合配合體的絡(luò)合物的形成由氫鍵連接的絡(luò)合物構(gòu)成凝膠網(wǎng)絡(luò)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2.溶膠-凝膠合成生產(chǎn)設(shè)備

12345電力攪拌溶膠-凝膠合成反應(yīng)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(yīng)示意圖1.容器2.密封蓋板3.反應(yīng)溶液4.轉(zhuǎn)動磁子5.磁力攪拌器加熱板6.溫度調(diào)節(jié)器7.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

3.溶膠-凝膠工藝過程

Sol-gel合成材料溶液－溶膠化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凝膠化－成型固化處理干燥熱處理溶膠-凝膠工藝過程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(qū)體選擇反應(yīng)物配比反應(yīng)時間溶液pH值反應(yīng)溫度金屬離子半徑絡(luò)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前驅(qū)體選擇金屬醇鹽金屬無機鹽易水解、技術(shù)成熟、可通過調(diào)節(jié)pH值控制反應(yīng)進程價格昂貴、金屬原子半徑大的醇鹽反應(yīng)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)等多種因素影響水解度的影響水金屬醇鹽物質(zhì)量比水解度R溶液pH值的影響反應(yīng)速率pH值對TEOS水解、縮聚反應(yīng)速率的影響

反應(yīng)溫度的影響反應(yīng)溫度對凝膠時間以及是否凝膠有直接關(guān)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當(dāng)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(yīng)基團之間的碰撞的幾率，而且可以使更多的前驅(qū)體原料成為活化分子，這相當(dāng)于提高了醇鹽的水解活性。

絡(luò)合劑的使用前驅(qū)體溶解度小反應(yīng)活性大水解速度過快絡(luò)合劑減緩反應(yīng)速率避免沉淀乙酰丙酮醋酸二乙醇胺3.6溶膠-凝膠法特點（1）該方法的最大優(yōu)點是制備過程溫度低。通過簡單的工藝和低廉的設(shè)備，即可得到比表面積很大的凝膠或粉末，與通常的熔融法或化學(xué)氣相沉積法相比，鍛燒成型溫度較低，并且材料的強度韌性較高。燒成溫度比傳統(tǒng)方法約低400~500℃，因為所需生成物在燒成前已部分形成，且凝膠的比表面積很大。利用Sol-Gel制備技術(shù)在玻璃和陶瓷方面可以制得一些傳統(tǒng)方法難以得到或根本無法制備的材料，材料制備過程易于控制。在相圖中用制備一般玻璃的熔融法將產(chǎn)生相分離的區(qū)域，用溶膠-凝膠法卻可以制得多組分玻璃，不會產(chǎn)生液相分離現(xiàn)象。1.溶膠-凝膠法的優(yōu)點（2）溶膠-凝膠法增進了多元組分體系的化學(xué)均勻性。若在醇溶膠體系中，液態(tài)金屬醇鹽的水解速度與縮合速度基本上相當(dāng)，則其化學(xué)均勻性可達分子水平。在水溶膠的多元組分體系中，若不同金屬離子在水解中共沉積，其化學(xué)均勻性可達到原子水平。由于Sol-Gel工藝是由溶液反應(yīng)開始的，從而得到的材料可達到原子級、分子級均勻。這對于控制材料的物理性能及化學(xué)性能至關(guān)重要。通過計算反應(yīng)物的成分可以嚴格控制最終合成材料的成分，這對于精細電子陶瓷材料來說是非常關(guān)鍵的。57ppt課件（3）溶膠-凝膠反應(yīng)過程易于控制，可以實現(xiàn)過程的完全而精確的控制，可以調(diào)控凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。影響溶膠-凝膠材料結(jié)構(gòu)的因素很多，包括前驅(qū)體、溶劑、水量、反應(yīng)條件、后處理條件等等．通過對這些因素的調(diào)節(jié)，可以得到一定微觀結(jié)構(gòu)和不同性質(zhì)的凝膠。（4）該法制備材料摻雜的范圍寬(包括摻雜的量和種類)，化學(xué)計量準(zhǔn)確且易于改性。（5）Sol-Gel制備技術(shù)制備的材料組分均勻、產(chǎn)