第01章 溶膠-凝膠原理及技術(shù)(前沿)

1、溶膠-凝膠原理及技術(shù)The mechanism and technique of Sol-Gel process2014.3 陜西科技大學第一章 溶膠-凝膠法的基本概念和特點第二章 溶膠-凝膠法采用的原料第三章 溶膠-凝膠過程的主要反應第四章 溶膠-凝膠法制備塊體材料第五章 溶膠-凝膠法制備的纖維材料第六章 溶膠-凝膠法制備納米粉體第七章 溶膠-凝膠法制備有機-無機復合材料第八章 溶膠-凝膠法制備薄膜及涂層材料序 言 溶膠-凝膠法溶膠凝膠法溶膠凝膠法為什么要介紹這個方法？為什么要介紹這個方法？1 傳統(tǒng)材料的局限性傳統(tǒng)材料的局限性 金屬，陶瓷，高分子，復合材料金屬，陶瓷，高分子，復合材料2 納米

2、材料的發(fā)展納米材料的發(fā)展3 功能材料的發(fā)展功能材料的發(fā)展提出新的要求：納米結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)高度可控、納米尺度復合1 什么是溶膠，什么是凝膠？什么是溶膠，什么是凝膠？2 溶膠凝膠法的基本原理是什么？溶膠凝膠法的基本原理是什么？3 有哪些影響因素，它們的影響規(guī)有哪些影響因素，它們的影響規(guī)律又是如何？律又是如何？4 溶膠凝膠法可以做哪些事情？溶膠凝膠法可以做哪些事情？中文定義：1）膠體的定義膠體的定義：分散相粒子的直徑在1100nm范圍內(nèi)的均勻分散系。2） 膠體膠體: 人們把在顯微鏡下也觀察不到的微小顆粒稱為膠體顆粒。含有膠體顆粒的體系稱為膠體體系。膠體化學就是研究這些微小顆粒分散體系的科學。 備注：膠

3、體顆粒的范圍有人主張： 1100nm;也有人主張：1nm1000nm(1m) 廣義地說，膠體就是兩種互不相溶的介質(zhì)宏觀上相互分布均勻，微觀上分布不均勻，不均勻的尺度在納米與微米之間。 冰激淋，油漆，化妝品，沙拉醬中哪些屬于膠體？ Hagen Daaz 冰淇淋為什么昂貴？ 1.研磨法 用膠體磨將易碎的物質(zhì)磨細至膠粒范圍，若是柔韌性的物質(zhì)， 必須先用液氮硬化后再磨碎。圖中所示的盤式膠體磨中，C和 B是兩片由堅硬合金制成的磨盤，以每分鐘一萬轉(zhuǎn)的高速反向 旋轉(zhuǎn)，有很大的應切力。分散相，分散介質(zhì)和穩(wěn)定劑同時從A 加入，經(jīng)C和B盤磨細后從兩者的狹縫中飛出，這樣形成的膠粒 可在1000nm之內(nèi)。 2.膠溶法

4、 將制備過程中由于缺少穩(wěn)定劑或由于過多電解質(zhì)存在而暫時聚集在 一起的膠體粒子重新分散制成溶膠稱為膠溶法，這方法只適用于新 鮮沉淀，如果沉淀老化后，小粒子已凝聚成大粒子，則無法再將它 們用膠溶法重新分散。 3.超聲分散法 超聲分散法目前只用來制備乳狀液。如圖所示，將分散相和分散介質(zhì) 兩種不混溶的液體放在樣品管4中。樣品管固定在變壓器油浴中，在兩 個電極上通入高頻電流，使電極中間的石英片發(fā)生機械振蕩，產(chǎn)生頻率 大于16000Hz的超聲波，使樣品管中的兩個液相分散混合成乳狀液。 4.電弧法極間距離，使之發(fā)生電火花，這時表面金屬蒸發(fā)，但立即被水 冷卻而凝聚成膠粒。 5.化學反應法 通過復分解反應，水解

5、反應和氧化還原等化學反應使生成物呈飽和狀態(tài)， 使初生成的難溶物微粒結(jié)合成膠粒，在少量穩(wěn)定劑存在下形成溶膠，這種 穩(wěn)定劑一般是某一過量的反應物。例如通過復分解反應制備As2S3溶膠； 通過水解反應制水合氧化鐵溶膠；用氧化還原反應制硫溶膠；用還原反應 制金溶膠；用離子沉淀反應制鹵化銀溶膠等。 6.更換溶劑法 更換溶劑法是利用物質(zhì)在不同溶劑中溶解度的很大差異來制備溶膠，而且 兩種溶劑要能完全互溶。例如松香在酒精中溶解度大而在水中溶解度很小， 將松香的酒精溶液滴入水中可制備松香的水溶膠。同理，將硫的丙酮溶液 滴入90左右的熱水中，丙酮蒸發(fā)后可得到硫的水溶膠。 7.蒸氣驟冷法 蒸氣驟冷法是一種物理凝聚制

6、備溶膠的方法。例如將汞蒸氣通入冷水中就可 以得到汞的水溶膠。在羅金斯基等人的儀器中可制備堿金屬的有機溶膠。 如圖所示，將金屬鈉放在管4中，苯放在管2中，管5中放液氮。先將體系抽真 空，然后適當加熱管2和管4，使金屬鈉和苯的蒸氣同時在管5外壁凝聚，當除 去管5中的液氮，凝聚在外壁的混合蒸氣熔化，在管3中可收集到鈉的苯溶膠。 1946年，J.J. E belman用SiCl4和乙醇混合后，在濕空氣中發(fā)生水解形成凝膠；20世紀30年代，W. Geffcken證實該方法就是金屬鹽的水解和膠凝化，可以制備氧化物薄膜，并制備得到SiO2薄膜；1962-1969年德國Schott玻璃公司的Dislich采用

7、上述工藝，制備得到多組份氧化物透明薄膜，并發(fā)展了大尺寸玻璃復組份復層氧化物鍍膜技術(shù)，形成多項專利技術(shù)及玻璃商用產(chǎn)品。該公司開發(fā)出遮陽玻璃后視鏡和減反玻璃；1971年，德國的Dislich報道了金屬醇鹽水解得到溶膠，然后膠凝化，再于923-973k的溫度和100N的壓力下進行處理，制備得到SiO2-Na2O-Al2O3-K2O-B2O3多組分玻璃，引起了材料學界的極大興趣和重視；1975年，B.E. Yoldas和M. Yamane等仔細將凝膠干燥，制得了整塊陶瓷材料和多孔透明氧化鋁薄膜；20世紀80年代以來，成為無機材料合成中的重要方法。第一章第一章 溶膠溶膠-凝膠法的基本概念和特點凝膠法的基

8、本概念和特點一、溶膠一、溶膠-凝膠法基本名詞術(shù)語凝膠法基本名詞術(shù)語 1.前驅(qū)物前驅(qū)物(precursor)：溶膠凝膠技術(shù)所用溶膠凝膠技術(shù)所用的起始原料，一般為金屬醇鹽、金屬乙酰的起始原料，一般為金屬醇鹽、金屬乙酰丙酮鹽和金屬有機酸鹽。丙酮鹽和金屬有機酸鹽。2.金屬醇鹽金屬醇鹽(metal alkoxide)：有機醇有機醇-OH上的上的H為金屬所取代的有機化合物。它與一為金屬所取代的有機化合物。它與一般金屬有機化合物的差別在于金屬醇鹽是以般金屬有機化合物的差別在于金屬醇鹽是以MOC鍵的形式結(jié)合，金屬有機化合物鍵的形式結(jié)合，金屬有機化合物則是則是MC鍵結(jié)合。鍵結(jié)合。 3.3.溶膠溶膠(sol)(s

9、ol)：又稱膠體溶液。指在液體介質(zhì)（主要又稱膠體溶液。指在液體介質(zhì)（主要是液體）中分散了是液體）中分散了1100nm1100nm粒子粒子( (基本單元基本單元) )，且在分，且在分散體系中保持固體物質(zhì)不沉淀的膠體體系。溶膠也是散體系中保持固體物質(zhì)不沉淀的膠體體系。溶膠也是指微小的固體顆粒懸浮分散在液相中，并且不停地進指微小的固體顆粒懸浮分散在液相中，并且不停地進行布朗運動的體系。行布朗運動的體系。溶膠溶膠(sol)(sol)是是 （1 1）溶膠不是物質(zhì)而是一種溶膠不是物質(zhì)而是一種“狀態(tài)狀態(tài)”。 溶膠中的固體粒子大小常在溶膠中的固體粒子大小常在15nm15nm，也就是在膠，也就是在膠體粒中的最小

10、尺寸，因此比表面積十分大。體粒中的最小尺寸，因此比表面積十分大。（2 2）最簡單的溶膠與溶液在某些方面有相似之處：）最簡單的溶膠與溶液在某些方面有相似之處： 溶質(zhì)溶質(zhì)+ +溶劑溶劑溶液溶液 分散相分散相+ +分散介質(zhì)分散介質(zhì)溶膠溶膠( (分散系分散系) )(3)(3)溶膠態(tài)的分散系由分散相和分散介質(zhì)組成溶膠態(tài)的分散系由分散相和分散介質(zhì)組成 1)1)分散介質(zhì)分散介質(zhì): :氣體，即為氣溶膠；氣體，即為氣溶膠； 水，即水溶膠；水，即水溶膠； 乙醇等有機液體；乙醇等有機液體； 也可以是固體。也可以是固體。 2)2)分散相分散相: :可以是氣體、液體或固體；可以是氣體、液體或固體； 3)3)表表1-11

11、-1說明溶膠態(tài)分散系情況：說明溶膠態(tài)分散系情況：分散相分散相分散介質(zhì)分散介質(zhì)分散介質(zhì)分散介質(zhì)示例示例液體液體固體固體氣體氣體液體液體固體固體液體液體氣體氣體氣體氣體氣體氣體液體液體液體液體液體液體固體固體固體固體霧霧煙煙泡沫泡沫牛乳牛乳膠態(tài)石墨膠態(tài)石墨礦石中的液態(tài)夾雜物礦石中的液態(tài)夾雜物礦石中的氣態(tài)夾雜物礦石中的氣態(tài)夾雜物表表1-1 1-1 溶膠態(tài)分散系示例溶膠態(tài)分散系示例（4 4）根據(jù)分散相對分散介質(zhì)的親、疏傾向，將溶）根據(jù)分散相對分散介質(zhì)的親、疏傾向，將溶膠分成兩類。膠分成兩類。 1)1)分散相具有親近分散介質(zhì)傾向的：稱作親分散相具有親近分散介質(zhì)傾向的：稱作親液（液（lyophilicly

12、ophilic）溶膠或乳膠，所謂水乳交融；）溶膠或乳膠，所謂水乳交融； 2)2)分散相具有疏遠分散介質(zhì)傾向的：則稱作分散相具有疏遠分散介質(zhì)傾向的：則稱作憎液憎液( (lyophobiclyophobic) )溶膠或懸膠。溶膠或懸膠。 親液（親液（lyophilic）溶膠）溶膠：分散相和分散介質(zhì)之：分散相和分散介質(zhì)之間有很好的親和能力，很強的溶劑化作用。因此，間有很好的親和能力，很強的溶劑化作用。因此，將這類大塊分散相，放在分散介質(zhì)中往往會自動散將這類大塊分散相，放在分散介質(zhì)中往往會自動散開，成為親液溶膠。開，成為親液溶膠。 它們的固它們的固-液之間液之間沒有明顯的相界面沒有明顯的相界面，例如蛋

13、，例如蛋白質(zhì)、淀粉水溶液及其它高分子溶液等。白質(zhì)、淀粉水溶液及其它高分子溶液等。 親液溶膠雖然具有某些溶膠特性，但本質(zhì)上與親液溶膠雖然具有某些溶膠特性，但本質(zhì)上與普通溶膠一樣屬于普通溶膠一樣屬于熱力學穩(wěn)定體系熱力學穩(wěn)定體系。 憎液（憎液（lyophobic）溶膠）溶膠：分散相與分散介質(zhì)：分散相與分散介質(zhì)之間親和力較弱，有明顯的相界面，屬于熱力學之間親和力較弱，有明顯的相界面，屬于熱力學不不穩(wěn)定穩(wěn)定體系。體系。4.4.凝膠凝膠(gel)(gel)：亦稱凍膠，是溶膠失去流動性后，亦稱凍膠，是溶膠失去流動性后，一種富含液體的半固態(tài)物質(zhì)，其中液體含量有一種富含液體的半固態(tài)物質(zhì)，其中液體含量有時可高達時

14、可高達99.5%99.5%，固體粒子則呈連續(xù)的網(wǎng)絡體。，固體粒子則呈連續(xù)的網(wǎng)絡體。它是指膠體顆?；蚋呔畚锓肿酉嗷ソ宦?lián)，空間它是指膠體顆?；蚋呔畚锓肿酉嗷ソ宦?lián)，空間網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，最終使得溶膠液逐步失網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，最終使得溶膠液逐步失去流動性，在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙中充滿液體的非去流動性，在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙中充滿液體的非流動半固態(tài)的分散體系，它是含有亞微米孔和流動半固態(tài)的分散體系，它是含有亞微米孔和聚合鏈的相互連接的堅實的網(wǎng)絡。聚合鏈的相互連接的堅實的網(wǎng)絡。（1 1）凝膠是一種柔軟的半固體，由大量膠束組）凝膠是一種柔軟的半固體，由大量膠束組成三維網(wǎng)絡，膠束之間為分散介質(zhì)的極薄的薄層成三維網(wǎng)絡，

15、膠束之間為分散介質(zhì)的極薄的薄層 所謂所謂“半固體半固體”是指表面上是固體、而內(nèi)部是指表面上是固體、而內(nèi)部仍含液體。后者的一部分可通過凝膠的毛細管作仍含液體。后者的一部分可通過凝膠的毛細管作用從其細孔逐漸排出。用從其細孔逐漸排出。（2 2）凝膠結(jié)構(gòu)可分為四種：）凝膠結(jié)構(gòu)可分為四種： 1) 1)有序的層狀結(jié)構(gòu)；有序的層狀結(jié)構(gòu)； 2) 2)完全無序的共價聚合網(wǎng)絡；完全無序的共價聚合網(wǎng)絡； 3) 3)由無序控制，通過聚合形成的聚由無序控制，通過聚合形成的聚合物網(wǎng)絡；合物網(wǎng)絡； 4) 4)粒子的無序結(jié)構(gòu)。粒子的無序結(jié)構(gòu)。 溶膠溶膠- -凝膠技術(shù)是溶膠的凝膠化過程，凝膠技術(shù)是溶膠的凝膠化過程，即液體介質(zhì)中

16、的基本單元粒子發(fā)展為三即液體介質(zhì)中的基本單元粒子發(fā)展為三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)凝膠的過程。凝膠的過程。（3 3）凝膠與溶膠是兩種互有聯(lián)系的狀態(tài)。）凝膠與溶膠是兩種互有聯(lián)系的狀態(tài)。1)1)乳膠冷卻后即可得到凝膠；加電解質(zhì)于乳膠冷卻后即可得到凝膠；加電解質(zhì)于懸膠后也可得到凝膠。懸膠后也可得到凝膠。2)2)凝膠可能具有觸變性：在振搖、超聲波凝膠可能具有觸變性：在振搖、超聲波或其他能產(chǎn)生內(nèi)應力的特定作用下，凝膠能轉(zhuǎn)或其他能產(chǎn)生內(nèi)應力的特定作用下，凝膠能轉(zhuǎn)化為溶膠。化為溶膠。3)3)溶膠向凝膠轉(zhuǎn)變過程主要是溶膠粒子聚溶膠向凝膠轉(zhuǎn)變過程主要是溶膠粒子聚集成鍵的聚合過程。集成鍵的聚合過程。4)4)上述作用一經(jīng)

17、停止，則凝膠又恢復原狀，上述作用一經(jīng)停止，則凝膠又恢復原狀，凝膠和溶膠也可共存，組成一更為復雜的膠態(tài)凝膠和溶膠也可共存，組成一更為復雜的膠態(tài)體系。體系。5)5)溶膠是否向凝膠發(fā)展，決定于膠粒間的溶膠是否向凝膠發(fā)展，決定于膠粒間的作用力是否能夠克服凝聚時的勢壘作用。因此，作用力是否能夠克服凝聚時的勢壘作用。因此，增加膠粒的電荷量，利用位阻效應和利用溶劑增加膠粒的電荷量，利用位阻效應和利用溶劑化效應等，都可以使溶膠更穩(wěn)定，凝膠更困難；化效應等，都可以使溶膠更穩(wěn)定，凝膠更困難；反之，則更容易形成凝膠。反之，則更容易形成凝膠。（5 5）凝膠在干燥后：）凝膠在干燥后：形成干凝膠或氣凝形成干凝膠或氣凝膠，

18、這時，它是一種充滿孔隙的多孔結(jié)構(gòu)。膠，這時，它是一種充滿孔隙的多孔結(jié)構(gòu)。6 6）通常由溶膠制備凝膠的方法有溶劑）通常由溶膠制備凝膠的方法有溶劑揮發(fā)、冷凍法、加入非溶劑法、加入電解質(zhì)揮發(fā)、冷凍法、加入非溶劑法、加入電解質(zhì)法和利用化學反應產(chǎn)生不溶物法等。法和利用化學反應產(chǎn)生不溶物法等。（4 4）凝膠可分為：）凝膠可分為：易脹型易脹型( (如明膠如明膠) )和非易脹和非易脹型型( (如硅膠如硅膠) )兩類；兩類；凝膠又分為彈性凝膠和脆性凝膠。凝膠又分為彈性凝膠和脆性凝膠。5.5.膠凝時間膠凝時間(gel point time)(gel point time)：在完成凝膠的：在完成凝膠的大分子聚合過程

19、中最后鍵合的時間。大分子聚合過程中最后鍵合的時間。6.6.單體單體(monomer)(monomer)：一種簡單的化合物，它的分：一種簡單的化合物，它的分子間通過功能團起聚合反應得到分子量較高的子間通過功能團起聚合反應得到分子量較高的化合物化合物( (聚合物聚合物) )。單體一般是不飽和的或含有。單體一般是不飽和的或含有兩個或更多功能團的小分子化合物。兩個或更多功能團的小分子化合物。7.7.聚合物聚合物(polymer)(polymer)：從至少含兩個功能團的單：從至少含兩個功能團的單體經(jīng)聚合反應成為很大分子的化合物，它至少含體經(jīng)聚合反應成為很大分子的化合物，它至少含有幾百乃至幾百萬個單體，故

20、常常又稱它為大分有幾百乃至幾百萬個單體，故常常又稱它為大分子。子。8.8.溶膠溶膠- -凝膠法凝膠法：是制備材料的：是制備材料的濕化學濕化學方法中一方法中一種嶄新的方法。種嶄新的方法。 （包括化學共沉淀法，水熱法，（包括化學共沉淀法，水熱法，微乳液法等）微乳液法等）溶膠溶膠- -凝膠法：凝膠法：研究的主要是膠體分散體系的研究的主要是膠體分散體系的一些物化性能。一些物化性能。膠體分散體系膠體分散體系：是指分散相的大小在：是指分散相的大小在1nm100nm1nm100nm之間的分散體系。之間的分散體系。在此范圍內(nèi)的粒子，具有在此范圍內(nèi)的粒子，具有特殊的物理化學性質(zhì)特殊的物理化學性質(zhì)。分散相分散相的

21、粒子可以是的粒子可以是氣體、液體或固體氣體、液體或固體，比較，比較重要的是重要的是固體固體分散在液體中的膠體分散體系分散在液體中的膠體分散體系溶膠溶膠（solsol）。）。9.9.溶膠溶膠- -凝膠技術(shù)：凝膠技術(shù)：是一種由金屬有機化合是一種由金屬有機化合物、金屬無機化合物或上述兩者混合物經(jīng)物、金屬無機化合物或上述兩者混合物經(jīng)過水解縮聚過程，逐漸凝膠化及相應的后過水解縮聚過程，逐漸凝膠化及相應的后處理，而獲得氧化物或其它化合物的新工處理，而獲得氧化物或其它化合物的新工藝。藝。流程：流程：利用液體化學試劑利用液體化學試劑(或?qū)⒎勰┤苡谌軇┗驅(qū)⒎勰┤苡谌軇?為原料為原料(高化學活性的含材料成分的化合

22、物前驅(qū)高化學活性的含材料成分的化合物前驅(qū)體體)在液相下將這些原料均勻混合在液相下將這些原料均勻混合 進行一進行一系列的水解、縮合系列的水解、縮合(縮聚縮聚)的化學反應的化學反應 在溶液在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠液體系中形成穩(wěn)定的透明溶膠液體系 溶膠經(jīng)過陳化溶膠經(jīng)過陳化 膠粒間緩慢聚合，形成以前驅(qū)體為骨架的三膠粒間緩慢聚合，形成以前驅(qū)體為骨架的三維聚合物或者是顆粒空間網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中其間充維聚合物或者是顆粒空間網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中其間充滿失去流動性的溶劑，形成凝膠滿失去流動性的溶劑，形成凝膠 凝膠再經(jīng)過凝膠再經(jīng)過干燥，脫去其間溶劑而成為一種多孔空間結(jié)構(gòu)干燥，脫去其間溶劑而成為一種多孔空間結(jié)構(gòu)的干凝膠或氣凝膠

23、的干凝膠或氣凝膠 最后，經(jīng)過燒結(jié)固化制備最后，經(jīng)過燒結(jié)固化制備所需材料。所需材料。18461846年年J.J.EbelmenJ.J.Ebelmen首先開展這方面的研究工首先開展這方面的研究工作，作，2020世紀世紀3030年代年代W.GeffckenW.Geffcken利用金屬醇鹽水利用金屬醇鹽水解和膠凝化制備出了氧化物薄膜，從而證實了解和膠凝化制備出了氧化物薄膜，從而證實了這種方法的可行性，但直到這種方法的可行性，但直到19711971年德國聯(lián)邦學年德國聯(lián)邦學者者H.DislichH.Dislich利用利用Sol-GelSol-Gel法成功制備出多組分法成功制備出多組分玻璃之后，玻璃之后，S

24、ol-GelSol-Gel法才引起科學界的廣泛關(guān)法才引起科學界的廣泛關(guān)注，并得到迅速發(fā)展。從注，并得到迅速發(fā)展。從8080年代初期，年代初期，Sol-Sol-GelGel法開始被廣泛應用于鐵電材料、超導材料、法開始被廣泛應用于鐵電材料、超導材料、冶金粉末、陶瓷材料、薄膜的制備及其它材料冶金粉末、陶瓷材料、薄膜的制備及其它材料的制備等。的制備等。二、二、 溶膠一凝膠法起源溶膠一凝膠法起源古代中國人做豆腐可能是最早的且卓有成效地應古代中國人做豆腐可能是最早的且卓有成效地應用用Sol-GelSol-Gel技術(shù)之一。技術(shù)之一。溶膠一凝膠法起源于十八世紀，但由于干燥時間溶膠一凝膠法起源于十八世紀，但由于

25、干燥時間太長而沒有引起人們的興趣。太長而沒有引起人們的興趣?，F(xiàn)代溶膠現(xiàn)代溶膠- -凝膠技術(shù)的研究始于凝膠技術(shù)的研究始于1919世紀中葉，利用世紀中葉，利用溶膠和凝膠制備單組分化合物。由于用此法制備溶膠和凝膠制備單組分化合物。由于用此法制備玻璃所需的溫度比傳統(tǒng)的高溫熔化法低得多，故玻璃所需的溫度比傳統(tǒng)的高溫熔化法低得多，故又稱為玻璃的低溫合成法。（又稱為玻璃的低溫合成法。（18461846年，年，J.J.EbelmenJ.J.Ebelmen發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)SiCl4SiCl4與乙醇混合后在濕空氣中與乙醇混合后在濕空氣中水解并形成了凝膠，制備了單一氧化物水解并形成了凝膠，制備了單一氧化物(SiO2)(Si

26、O2)，但未引起注意。但未引起注意。 ） 七十年代初七十年代初德國科學家報道了通過金屬德國科學家報道了通過金屬醉鹽水解得到溶膠，經(jīng)過凝膠化得到多組分醉鹽水解得到溶膠，經(jīng)過凝膠化得到多組分的凝膠，引起了材料科學界的極大興趣這的凝膠，引起了材料科學界的極大興趣這被認為是溶膠被認為是溶膠凝膠技術(shù)的真正開端現(xiàn)代凝膠技術(shù)的真正開端現(xiàn)代溶膠溶膠凝膠技術(shù)的發(fā)展在于，得到凝膠材料凝膠技術(shù)的發(fā)展在于，得到凝膠材料干燥時間是以天來計算，而不象從前那樣以干燥時間是以天來計算，而不象從前那樣以年計算。年計算。三、溶膠三、溶膠-凝膠法的應用領(lǐng)域凝膠法的應用領(lǐng)域 溶膠凝膠技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應用溶膠凝膠技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應用于

27、電子、復合材料、生物、陶瓷、光于電子、復合材料、生物、陶瓷、光學、電磁學、熱學、化學以及環(huán)境處學、電磁學、熱學、化學以及環(huán)境處理等各個科學技術(shù)領(lǐng)域和材料科學的理等各個科學技術(shù)領(lǐng)域和材料科學的諸多領(lǐng)域。諸多領(lǐng)域。1 1、材料學方面的應用材料學方面的應用 (1)高性能粒子探測器高性能粒子探測器(2)隔熱材料隔熱材料(3)聲阻抗藕合材料聲阻抗藕合材料(4)電介質(zhì)材料電介質(zhì)材料 (5)有機有機/無機雜化材料無機雜化材料(6)金屬陶瓷涂層耐蝕材料金屬陶瓷涂層耐蝕材料(7)納米級氧化物薄膜材料納米級氧化物薄膜材料(8)橡膠工業(yè)的應用橡膠工業(yè)的應用(9)在生物材料方面的應用在生物材料方面的應用 前驅(qū)體前驅(qū)體

28、溶膠溶膠納米顆粒納米顆粒纖維纖維濕凝膠濕凝膠涂層、薄膜涂層、薄膜氣凝膠氣凝膠多孔材料多孔材料干凝膠干凝膠致密塊體致密塊體溶膠凝膠溶膠凝膠法的應用法的應用溶膠凝膠法應用（溶膠凝膠法應用（1）鋁膠制備及化學機理鋁膠制備及化學機理boehmiteboehmite溶膠溶膠將將1M1M仲丁醇鋁的仲丁醇溶液滴入溫度高于仲丁醇鋁的仲丁醇溶液滴入溫度高于8080的去離的去離子水中進行水解，生成子水中進行水解，生成boehmiteboehmite沉淀，加入適量沉淀，加入適量1.6M 1.6M HNOHNO3 3，使沉淀膠溶，經(jīng)老化形成穩(wěn)定的溶膠，使沉淀膠溶，經(jīng)老化形成穩(wěn)定的溶膠溶膠凝膠法應用（溶膠凝膠法應用（2

29、） 鋁膠制備及化學機理鋁膠制備及化學機理鋁鹽溶液中，鋁離子呈水合狀態(tài)，即鋁鹽溶液中，鋁離子呈水合狀態(tài)，即 Al(HAl(H2 2O)O)6 6 3+3+。由于由于鋁離子的正電荷與配位水分子中氫離子相斥，使氫離子鋁離子的正電荷與配位水分子中氫離子相斥，使氫離子釋放出來釋放出來水解反應水解反應Al(H2O)63+ = Al(OH)(H2O) 52+ + H+Al(OH)(H2O) 52+ = Al(OH)2(H2O) 4 + + H+ Al(OH)2(H2O) 4+ = Al(OH)3(H2O) 30 + H+ 溶液的溶液的Ph值升高，水解程度增大值升高，水解程度增大溶膠凝膠法應用（溶膠凝膠法應用

30、（3） 鋁溶膠制備及化學機理鋁溶膠制備及化學機理水解反應生成的沉淀水解反應生成的沉淀 Al(OH)Al(OH)3 3(H(H2 2O)O) 3 3 0 0在溶液酸度提高時，能夠溶解變在溶液酸度提高時，能夠溶解變成離子，形成沉淀成離子，形成沉淀- -膠溶反應膠溶反應（Precipitation-Peptization）n Al(OH)3(H2O) 30 + xHNO3 = Al(OH)3(H2O) 3nHxx+ + xNO3-膠溶反應中膠核呈正電性，外層吸附了電量相等的負電離子膠溶反應中膠核呈正電性，外層吸附了電量相等的負電離子。溶膠凝膠法的應用（溶膠凝膠法的應用（4）功能材料中制備粉體材料功能

31、材料中制備粉體材料La2O3La(NO3)3溶液溶液HNO3Fe(NO3)3.6H2OFe(NO3)3溶液溶液La: Fe=1:1檸檬酸檸檬酸LaFeO3的超細粉末的超細粉末 10100nmLa3+、Fe3+的檸檬酸溶液的檸檬酸溶液5080含含La3+、Fe3+的凝膠的凝膠含含La3+、Fe3+的溶膠的溶膠6090干凝膠干凝膠熱處理熱處理120溶膠凝膠法的應用（溶膠凝膠法的應用（5） 功能材料中制備纖維功能材料中制備纖維Si(OCH3)4C2H5OHH2O,HClC2H5OHNdCl3.6H2O混合溶液混合溶液凝膠纖維凝膠纖維銣玻璃纖維銣玻璃纖維粘性溶膠粘性溶膠攪拌（室溫）攪拌（室溫）放置、脫

32、水（室溫放置、脫水（室溫8 0）拉纖維（室溫）拉纖維（室溫）加熱（加熱（10/h）500 1h，冷卻至室溫，冷卻至室溫溶膠凝膠法的應用（溶膠凝膠法的應用（6） 功能材料中制備膜材料功能材料中制備膜材料Nd(NO3)3.6H2OH2O,HClC2H5OHC2H5OHSi(OCH3)4混合溶液混合溶液粘性溶膠粘性溶膠包覆膜包覆膜保持保持24h，室溫，室溫包覆包覆Nd.SiO2膜膜加熱加熱1h溶膠凝膠法的應用（溶膠凝膠法的應用（7） 功能材料中制備單晶功能材料中制備單晶溶膠凝膠法的應用（溶膠凝膠法的應用（8） 功能材料中制備復合材料功能材料中制備復合材料溶膠凝膠法的應用（溶膠凝膠法的應用（9）催化劑

33、的制備及應用催化劑的制備及應用表表1-21-2 溶膠溶膠-凝膠法制備產(chǎn)品的形狀凝膠法制備產(chǎn)品的形狀形狀形狀制備方法制備方法塊狀體塊狀體成形凝膠體加熱成形凝膠體加熱粉末成形體燒結(jié)粉末成形體燒結(jié)纖維纖維凝膠纖維加熱凝膠纖維加熱預制棒材拉制預制棒材拉制薄膜或涂層薄膜或涂層浸漬提拉、旋涂或甩涂浸漬提拉、旋涂或甩涂等方法等方法粉末粉末凝膠粉末加熱凝膠粉末加熱凝膠微拉子沉淀凝膠微拉子沉淀表表1-3 1-3 溶膠溶膠- -凝膠法制備產(chǎn)品的化學組成凝膠法制備產(chǎn)品的化學組成化學式化學式產(chǎn)品舉例產(chǎn)品舉例SiO2凝膠體、玻璃、纖維、薄膜、塊凝膠體、玻璃、纖維、薄膜、塊狀體狀體TiO2TiO2纖維、薄膜纖維、薄膜Zr

34、O2ZrO2纖維、薄膜纖維、薄膜A12O3多孔性氧化鋁、薄膜多孔性氧化鋁、薄膜BaTiO3多晶膜電容器、薄膜多晶膜電容器、薄膜LiNbO3多晶膜電容器、薄膜多晶膜電容器、薄膜KTaO3多晶膜電容器、薄膜多晶膜電容器、薄膜In2O-SnO2透明導電膜透明導電膜LiAlO2多晶體多晶體SiO2-B2O3-Na2O中空球中空球(激光核融合載體激光核融合載體) 、玻璃、玻璃SiO2-TiO2-有機物有機物有機有機-無機復合材料無機復合材料表表1-41-4溶膠溶膠- -凝膠法的應用凝膠法的應用項目項目應用應用實用情況實用情況塊狀玻璃體塊狀玻璃體SiO2成功成功低溫合成纖維低溫合成纖維SiO2-TiO2玻

35、璃，玻璃，SiO2-ZrO2玻璃玻璃ZrO2、TiO2、A12O3、BaTiO3陶瓷陶瓷SiO2-B2O3- A12O3(連接連接)SiO2(連接連接)高溫超導陶瓷高溫超導陶瓷成功成功成功成功成功成功成功成功有希望有希望薄膜薄膜CdSnO4(在板玻璃上在板玻璃上)BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3ZrO2、TiO2、SnO2、A12O3、SiO2、V2O5等等高溫超導陶瓷薄膜高溫超導陶瓷薄膜SrAl2O4成功成功成功成功成功成功有希望有希望成功成功多孔體多孔體多孔氧化硅多孔氧化硅顯微氣球顯微氣球(激光核融合激光核融合燃料燃料)成功成功成功成功核燃料放射性核燃料放射性廢棄物廢棄物UO2球球

36、(凝膠球的燒結(jié)凝膠球的燒結(jié))含有放射性元素的球含有放射性元素的球體體由由Si(OEt)4-A1(OEt)3的玻璃化的玻璃化成功成功有希望有希望有希望有希望燒結(jié)原料粉末燒結(jié)原料粉末微細的氧化物粉末微細的氧化物粉末成功成功2 2、溶膠、溶膠- -凝膠技術(shù)在催化劑及催化劑載凝膠技術(shù)在催化劑及催化劑載體方面的應用體方面的應用（1 1）溶膠）溶膠- -凝膠技術(shù)制備金屬凝膠技術(shù)制備金屬- -氧化物氧化物催化劑催化劑（2 2）溶膠）溶膠- -凝膠技術(shù)在包容均相催化劑凝膠技術(shù)在包容均相催化劑方面的應用方面的應用 3 3、溶膠、溶膠- -凝膠技術(shù)分析化學方面應用凝膠技術(shù)分析化學方面應用（1 1）色譜分析中的應用

37、）色譜分析中的應用1 1）制備色譜填料）制備色譜填料2 2）制備開管柱和電色譜固定相）制備開管柱和電色譜固定相3 3）在電分析中的應用）在電分析中的應用4 4）在光分析中的應用）在光分析中的應用（2 2）在生物化學方面的應用）在生物化學方面的應用 4 4、其它方面、其它方面 四、溶膠四、溶膠- -凝膠法的基本過程凝膠法的基本過程 圖1-1 醇鹽溶膠-凝膠法基本工藝過程示意圖金屬醇鹽、溶劑（甲醇、乙醇等）、水和催化劑（酸或弱堿）溶膠濕凝膠水解聚縮陳化涂層、成纖、成型干燥干凝膠成品熱處理1.1.醇鹽水解方法醇鹽水解方法（1 1）首先制取含金屬醇鹽和水的均相溶液，）首先制取含金屬醇鹽和水的均相溶液，

38、以保證醇鹽的水解反應在分子的水平上進行。以保證醇鹽的水解反應在分子的水平上進行。由于金屬醇鹽在水中的溶解度不大，一般選用由于金屬醇鹽在水中的溶解度不大，一般選用醇作為溶劑，醇和水的加入應適量，習慣上以醇作為溶劑，醇和水的加入應適量，習慣上以水水/ /醇鹽的摩爾比計量。催化劑對水解速率、醇鹽的摩爾比計量。催化劑對水解速率、縮聚速率、溶膠凝膠在陳化過程中的結(jié)構(gòu)演變縮聚速率、溶膠凝膠在陳化過程中的結(jié)構(gòu)演變都有重要影響，常用的酸性和堿性催化劑分別都有重要影響，常用的酸性和堿性催化劑分別為為HClHCl和和NHNH4 4OHOH，催化劑加入量也常以催化劑，催化劑加入量也常以催化劑/ /醇鹽的摩爾比計量。

39、為保證前驅(qū)溶液的均相性，醇鹽的摩爾比計量。為保證前驅(qū)溶液的均相性，在配制過程中需施以強烈攪拌。在配制過程中需施以強烈攪拌。（2 2）第二步是制備溶膠。）第二步是制備溶膠。制備溶膠有兩種制備溶膠有兩種方法：聚合法和顆粒法，兩者間的差別是加方法：聚合法和顆粒法，兩者間的差別是加水量多少。所謂聚合溶膠，是在控制水解的水量多少。所謂聚合溶膠，是在控制水解的條件下使水解產(chǎn)物及部分未水解的醇鹽分子條件下使水解產(chǎn)物及部分未水解的醇鹽分子之間繼續(xù)聚合而形成的，因此加水量很少；之間繼續(xù)聚合而形成的，因此加水量很少；而粒子溶膠則是在加入大量水，使醇鹽充分而粒子溶膠則是在加入大量水，使醇鹽充分水解的條件下形成的。金

40、屬醇鹽的水解反應水解的條件下形成的。金屬醇鹽的水解反應和縮聚反應是均相溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z的根本原和縮聚反應是均相溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z的根本原因，控制醇鹽的水解、縮聚的條件如：加水因，控制醇鹽的水解、縮聚的條件如：加水量、催化劑和溶液的量、催化劑和溶液的pHpH值以及水解溫度等，值以及水解溫度等，是制備高質(zhì)量溶膠的前提；是制備高質(zhì)量溶膠的前提；（3 3）第三步是將溶膠通過陳化得到濕凝膠。）第三步是將溶膠通過陳化得到濕凝膠。溶膠在敞口或密閉的容器中放置時，由于溶劑溶膠在敞口或密閉的容器中放置時，由于溶劑蒸發(fā)或縮聚反應繼續(xù)進行而導致向凝膠的逐漸蒸發(fā)或縮聚反應繼續(xù)進行而導致向凝膠的逐漸轉(zhuǎn)變，此過程往往伴隨粒子的

41、轉(zhuǎn)變，此過程往往伴隨粒子的ostwardostward熟化，熟化，即因大小粒子溶解度不同而造成的平均粒徑增即因大小粒子溶解度不同而造成的平均粒徑增加。在陳化過程中，膠體粒子逐漸聚集形成網(wǎng)加。在陳化過程中，膠體粒子逐漸聚集形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，整個體系失去流動特性，溶膠從牛頓絡結(jié)構(gòu)，整個體系失去流動特性，溶膠從牛頓型流體向賓漢型流體轉(zhuǎn)變，并帶有明顯的觸變型流體向賓漢型流體轉(zhuǎn)變，并帶有明顯的觸變性，制品的成型如成纖、涂膜、澆注等可在此性，制品的成型如成纖、涂膜、澆注等可在此期間完成。期間完成。溶膠溶膠-凝膠凝膠凝膠的形成與劃分凝膠的形成與劃分凝膠形成機理通常須經(jīng)過三個必要的過程：凝膠形成機理通常須經(jīng)過三個

42、必要的過程：a).單體聚合成初次粒子；單體聚合成初次粒子；b).粒子長大；粒子長大；c).粒子交聯(lián)成鏈狀且形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。粒子交聯(lián)成鏈狀且形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 溶膠（溶膠（Sol）是由孤立的細?。┦怯晒铝⒌募毿×Ｗ踊虼蠓肿咏M成，分散在溶液粒子或大分子組成，分散在溶液中的膠體體系。中的膠體體系。 當液相為水時稱為水溶膠當液相為水時稱為水溶膠（Hydrosol）;當為醇時稱為醇溶當為醇時稱為醇溶膠（膠（alcosol）。）。 凝膠（凝膠（Gel）是一種由細?。┦且环N由細小粒子聚集而成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的具粒子聚集而成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的具有固態(tài)特征的膠態(tài)體系，凝膠中有固態(tài)特征的膠態(tài)體系，凝膠中滲有連續(xù)的分散相

43、介質(zhì)。滲有連續(xù)的分散相介質(zhì)。 按分散相介質(zhì)不同可分為水按分散相介質(zhì)不同可分為水凝膠（凝膠（Hydrogel）、醇凝膠）、醇凝膠（alcogel）和氣凝膠（）和氣凝膠（aerogel）。）。 沉淀物（沉淀物（precipitate）由）由孤立粒子聚集體組成而區(qū)別于孤立粒子聚集體組成而區(qū)別于凝膠。凝膠。圖圖1 溶膠、凝膠和沉溶膠、凝膠和沉淀物的區(qū)分淀物的區(qū)分（4 4）第四步是凝膠的干燥。）第四步是凝膠的干燥。濕凝膠內(nèi)包裹著大量溶劑和水，干濕凝膠內(nèi)包裹著大量溶劑和水，干燥過程往往伴隨著很大的體積收縮，因燥過程往往伴隨著很大的體積收縮，因而很容易引起開裂，防止凝膠在干燥過而很容易引起開裂，防止凝膠在干

44、燥過程中至關(guān)重要而又較為困難的一環(huán)，特程中至關(guān)重要而又較為困難的一環(huán)，特別對尺寸較大的塊狀材料，為此需要嚴別對尺寸較大的塊狀材料，為此需要嚴格控制干燥條件，或添加控制干燥的化格控制干燥條件，或添加控制干燥的化學添加劑，或采用超臨界干燥技術(shù)。學添加劑，或采用超臨界干燥技術(shù)。凝膠的一般干燥過程凝膠的一般干燥過程 濕凝膠的一般干燥過程或以濕凝膠的一般干燥過程或以觀察到三個現(xiàn)象：觀察到三個現(xiàn)象：A）持續(xù)的收縮與硬化；）持續(xù)的收縮與硬化；B）產(chǎn)生應力；）產(chǎn)生應力；C）破裂。）破裂。 濕凝膠在初期干燥過程中，濕凝膠在初期干燥過程中，因有足夠的液相填充于凝膠孔中，因有足夠的液相填充于凝膠孔中，凝膠體積的減少

45、與蒸發(fā)了的液體凝膠體積的減少與蒸發(fā)了的液體的體積相等，無毛細力起作用。的體積相等，無毛細力起作用。當進一步蒸發(fā)使凝膠體積減少量當進一步蒸發(fā)使凝膠體積減少量小于蒸發(fā)掉的液體體積時，此時小于蒸發(fā)掉的液體體積時，此時圖圖2 濕凝膠干燥過濕凝膠干燥過程中的毛細管力程中的毛細管力液相在凝膠孔中形成彎月面，液相在凝膠孔中形成彎月面，使凝膠承受一個毛細管壓力，使凝膠承受一個毛細管壓力，將顆粒擠壓在一起。如圖將顆粒擠壓在一起。如圖2所示。所示。（5 5）最后對干凝結(jié)膠進行熱處理。）最后對干凝結(jié)膠進行熱處理。其目的是消除干凝膠中的氣孔，使制品其目的是消除干凝膠中的氣孔，使制品的相組成和顯微結(jié)構(gòu)能滿足產(chǎn)品性能要求

46、。的相組成和顯微結(jié)構(gòu)能滿足產(chǎn)品性能要求。在熱處理時發(fā)生導致凝膠致密化的燒結(jié)過程，在熱處理時發(fā)生導致凝膠致密化的燒結(jié)過程，由于凝膠的高比表面積、高活性，其燒結(jié)溫由于凝膠的高比表面積、高活性，其燒結(jié)溫度比通常的粉料坯體低數(shù)百度，采用熱壓燒度比通常的粉料坯體低數(shù)百度，采用熱壓燒結(jié)等工藝可以縮短燒結(jié)時間，提高制品質(zhì)量。結(jié)等工藝可以縮短燒結(jié)時間，提高制品質(zhì)量。2.2.工業(yè)上常用的機械分散法：工業(yè)上常用的機械分散法：使用特殊的使用特殊的“膠體磨膠體磨”將粗分散程度的懸浮將粗分散程度的懸浮液通過研磨而制成溶膠。實驗室常用液通過研磨而制成溶膠。實驗室常用“膠溶法膠溶法”將固體分散而制備溶膠。以無機物作為源物質(zhì)

47、，將固體分散而制備溶膠。以無機物作為源物質(zhì)，在溶液中進行化學反應而生成固體沉淀物，新生在溶液中進行化學反應而生成固體沉淀物，新生成的固體沉淀物在適當?shù)臈l件下能重新分散而達成的固體沉淀物在適當?shù)臈l件下能重新分散而達到膠體分散程度的現(xiàn)象稱為膠溶作用。再用某種到膠體分散程度的現(xiàn)象稱為膠溶作用。再用某種方法促使膠體失去流動性，變成彈性固體狀態(tài)的方法促使膠體失去流動性，變成彈性固體狀態(tài)的凝膠體。這種方法也可以稱為凝膠體。這種方法也可以稱為“溶液溶液- -溶膠溶膠- -凝膠凝膠”法。法。 優(yōu)點：優(yōu)點：是化學過程比較簡單、原料成本低、燒結(jié)后是化學過程比較簡單、原料成本低、燒結(jié)后無有機殘渣；無有機殘渣；缺點：

48、缺點：是需要對膠體沉淀物長時間連續(xù)清洗后才能是需要對膠體沉淀物長時間連續(xù)清洗后才能制得凝膠，因而制備周期比較長、可能會造成一制得凝膠，因而制備周期比較長、可能會造成一定的原料損失。定的原料損失。 19901990年年Sangeeta.DSangeeta.D等人以等人以ZrO(NOZrO(NO3 3) )2 2為源物為源物質(zhì)，采用這種溶膠質(zhì)，采用這種溶膠- -凝膠方法成功的制備了凝膠方法成功的制備了46nm46nm的的ZrOZrO2 2粉體，其主要反應如式粉體，其主要反應如式1-11-1所示。所示。 ZrO(NOZrO(NO3 3) )2 2H H2 2O O2NH2NH3 3ZrOZrO2 2

49、2NH2NH4 4NONO3 3 （1-11-1）他們在制備他們在制備ZrOZrO2 2凝膠過程中加入了一種表凝膠過程中加入了一種表面活性劑，并在溶膠面活性劑，并在溶膠- -凝膠轉(zhuǎn)變過程中施加超凝膠轉(zhuǎn)變過程中施加超聲波作用，成功地阻止了顆粒的團聚。聲波作用，成功地阻止了顆粒的團聚。19831983年，年，CobeCobe等人以無機鹽等人以無機鹽FeClFeCl2 2和和FeClFeCl3 3作為源物質(zhì)，采用上述溶膠作為源物質(zhì)，采用上述溶膠- -凝膠方法也成功凝膠方法也成功制備出了制備出了35nm35nm的的FeFe3 3O O4 4磁性超細粉體。磁性超細粉體。五、溶膠五、溶膠- -凝膠法的特點

50、凝膠法的特點溶膠溶膠- -凝膠法：凝膠法：是一種可以制備從零維到三維材料的是一種可以制備從零維到三維材料的全維材料濕化學制備反應方法。全維材料濕化學制備反應方法。該法的主要特點：該法的主要特點：利用是用液體化學試劑利用是用液體化學試劑( (或?qū)⒎蹱罨驅(qū)⒎蹱钤噭┤苡谌軇┲性噭┤苡谌軇┲? )或溶膠為原料，而不是用傳統(tǒng)的粉或溶膠為原料，而不是用傳統(tǒng)的粉狀物體，反應物在液相下均勻混合并進行反應，反狀物體，反應物在液相下均勻混合并進行反應，反應生成物是穩(wěn)定的溶膠體系，經(jīng)放置一定時間轉(zhuǎn)變應生成物是穩(wěn)定的溶膠體系，經(jīng)放置一定時間轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，其中含有大量液相，需借助蒸發(fā)除去液體為凝膠，其中含有大量液相，需借

51、助蒸發(fā)除去液體介質(zhì)，而不是機械脫水，在溶膠或凝膠狀態(tài)下即可介質(zhì)，而不是機械脫水，在溶膠或凝膠狀態(tài)下即可成型為所需制品，在低于傳統(tǒng)燒成溫度下燒結(jié)。成型為所需制品，在低于傳統(tǒng)燒成溫度下燒結(jié)。（1 1）該方法的最大優(yōu)點是制備過程溫度低。）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備，即可得到比表面積通過簡單的工藝和低廉的設備，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氣相沉很大的凝膠或粉末，與通常的熔融法或化學氣相沉積法相比，鍛燒成型溫度較低，并且材料的強度韌積法相比，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)方法約低性較高。燒成溫度比傳統(tǒng)方法約低40050

52、0400500，因為，因為所需生成物在燒成前已部分形成，且凝膠的比表面所需生成物在燒成前已部分形成，且凝膠的比表面積很大。利用積很大。利用Sol-GelSol-Gel制備技術(shù)在玻璃和陶瓷方面可制備技術(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，用溶膠玻璃的熔融法將產(chǎn)生相分離的區(qū)域，用溶膠- -凝膠法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。卻可以制得多組分玻璃，不會產(chǎn)生液相分離現(xiàn)象。1.1.溶膠溶膠- -凝

53、膠法的優(yōu)點凝膠法的優(yōu)點（2 2）溶膠）溶膠- -凝膠法增進了多元組分體系的化學均勻性。凝膠法增進了多元組分體系的化學均勻性。 若在醇溶膠體系中，液態(tài)金屬醇鹽的水解速度與若在醇溶膠體系中，液態(tài)金屬醇鹽的水解速度與縮合速度基本上相當，則其化學均勻性可達分子水平?？s合速度基本上相當，則其化學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，其化學均勻性可達到原子水平。由于中共沉積，其化學均勻性可達到原子水平。由于Sol-Sol-GelGel工藝是由溶液反應開始的，從而得到的材料可達工藝是由溶液反應開始的，從而得到的材料可達到原子

54、級、分子級均勻。這對于控制材料的物理性能到原子級、分子級均勻。這對于控制材料的物理性能及化學性能至關(guān)重要。通過計算反應物的成分可以嚴及化學性能至關(guān)重要。通過計算反應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。料來說是非常關(guān)鍵的。（3 3）溶膠）溶膠- -凝膠反應過程易于控制，可以實凝膠反應過程易于控制，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)。的微觀結(jié)構(gòu)。影響溶膠影響溶膠- -凝膠材料結(jié)構(gòu)的因素很多，凝膠材料結(jié)構(gòu)的因素很多，包括前驅(qū)包括前驅(qū) 體、溶劑、水量、反應

55、條件、后體、溶劑、水量、反應條件、后處理條件等等通過對這些因素的調(diào)節(jié)，可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。以得到一定微觀結(jié)構(gòu)和不同性質(zhì)的凝膠。（4 4）該法制備材料摻雜的范圍寬）該法制備材料摻雜的范圍寬( (包括摻雜包括摻雜的量和種類的量和種類) )，化學計量準確且易于改性。，化學計量準確且易于改性。（5 5）Sol-GelSol-Gel制備技術(shù)制備的材料組分均勻、制備技術(shù)制備的材料組分均勻、產(chǎn)物的純度很高。產(chǎn)物的純度很高。因為所用的原料的純度高，而且溶劑在處理因為所用的原料的純度高，而且溶劑在處理過程中易被除去。人們己采用過程中易被除去。人們己采用Sol

56、-GelSol-Gel方法方法制備出各種形狀的材料，包括塊狀、圓棒狀、制備出各種形狀的材料，包括塊狀、圓棒狀、空心管狀、纖維、薄膜等?？招墓軤?、纖維、薄膜等。（6 6）在薄膜制備方面，）在薄膜制備方面，Sol-GelSol-Gel工藝更顯出了獨工藝更顯出了獨特的優(yōu)越性。特的優(yōu)越性。與其它薄膜制備工藝與其它薄膜制備工藝( (濺射、激光濺射、激光閃蒸等閃蒸等) )不同，不同，Sol-GelSol-Gel工藝不需要任何真空條件工藝不需要任何真空條件和太高的溫度，且可在大面積或任意形狀的基片和太高的溫度，且可在大面積或任意形狀的基片上成膜。上成膜。用溶膠采取浸涂、噴涂和流延的方法制備薄膜也用溶膠采取浸

57、涂、噴涂和流延的方法制備薄膜也非常方便，厚度在幾十埃到微米量級可調(diào)，所得非常方便，厚度在幾十埃到微米量級可調(diào)，所得產(chǎn)物的純度高。產(chǎn)物的純度高。（7 7）在一定條件下，溶膠液的成纖性能很好，）在一定條件下，溶膠液的成纖性能很好，因此可以用以生產(chǎn)氧化物，特別是難熔氧化物因此可以用以生產(chǎn)氧化物，特別是難熔氧化物纖維。纖維。（8 8）可以得到一些用傳統(tǒng)方法無法獲得的材料。）可以得到一些用傳統(tǒng)方法無法獲得的材料。有機有機無機復合材料兼具有機材料和無機材無機復合材料兼具有機材料和無機材料的特點，如能在納米大小或分子水平進行復合，料的特點，如能在納米大小或分子水平進行復合，增添一些納米材料的特性，特別是無機

58、與有機界增添一些納米材料的特性，特別是無機與有機界面的特性特使其有更廣泛的應用。但無機材料的面的特性特使其有更廣泛的應用。但無機材料的制備大多要經(jīng)過高溫處理，而有機物一般在高溫制備大多要經(jīng)過高溫處理，而有機物一般在高溫下都會分解，通過溶膠下都會分解，通過溶膠- -凝膠法較低的反應溫度凝膠法較低的反應溫度將阻止相轉(zhuǎn)變和分解的發(fā)生，采用這種方法可以將阻止相轉(zhuǎn)變和分解的發(fā)生，采用這種方法可以得到有機得到有機無機納米復合材料。無機納米復合材料。（9 9）溶膠）溶膠- -凝膠法從溶膠出發(fā)，從同一種原料凝膠法從溶膠出發(fā)，從同一種原料出發(fā)，通過簡單反應過程，改變工藝即可獲得出發(fā)，通過簡單反應過程，改變工藝即

59、可獲得不同的制品。不同的制品。最終產(chǎn)物的形式多樣制，可得到纖維、粉最終產(chǎn)物的形式多樣制，可得到纖維、粉末、涂層、塊狀物等?？梢?，溶膠末、涂層、塊狀物等?？梢?，溶膠- -凝膠法是一凝膠法是一種寬范圍、亞結(jié)構(gòu)、大跨度的全維材料制備的種寬范圍、亞結(jié)構(gòu)、大跨度的全維材料制備的濕化學方法。濕化學方法。2.2.溶膠溶膠- -凝膠法的缺點凝膠法的缺點（1 1）所用原料可能有害。）所用原料可能有害。由于溶膠由于溶膠- -凝膠技術(shù)所用原料多為有機化合凝膠技術(shù)所用原料多為有機化合物，成本較高，而且有些對人們的健康有害物，成本較高，而且有些對人們的健康有害（若加以防護可消除）。（若加以防護可消除）。（2 2）反應影

60、響因素較多。）反應影響因素較多。反應涉及大量的過程變量，如反應涉及大量的過程變量，如PHPH值、反應值、反應物濃度比、溫度、有機物雜質(zhì)等會影響凝膠或物濃度比、溫度、有機物雜質(zhì)等會影響凝膠或晶粒的孔徑晶粒的孔徑( (粒徑粒徑) )和比表面積，使其物化特性和比表面積，使其物化特性受到影響，從而影響合成材料的功能性。受到影響，從而影響合成材料的功能性。（3 3）工藝過程時間較長。）工藝過程時間較長。有的處理過程時間長達有的處理過程時間長達1212月。月。（4 4）所得到半成品制品容易產(chǎn)生開裂。）所得到半成品制品容易產(chǎn)生開裂。這是由這是由于凝膠中液體量大，干燥時產(chǎn)生收縮引起。于凝膠中液體量大，干燥時產(chǎn)