实验二 溶胶-凝胶法制备钛酸钡纳米陶瓷粉体

醋酸钡255.21、钛酸丁酯340.3

实验二溶胶－凝胶法制备纳米钛酸钡陶瓷粉体

一、实验目的

1、了解溶胶－凝胶制备纳米粉体的方法

2、制备纳米钛酸钡陶瓷粉体

二、实验背景和原理

1. 实验背景

钛酸钡(BaTiO

)具有良好的介电性，是电子陶瓷领域应用最广的材料之一。传

3

制备方法是固相合成，这种方法生成的粉末颗粒粗且硬，不能满足高统的BaTiO

3

科技应用的要求。现代科技要求陶瓷粉体具有高纯、超细、粒径分布窄等特性，与粗晶材料相比在物理和机械性能方面有极大的差别：熔点降低，烧结温度降低、荧光谱峰向低波长移动、铁电和铁磁性能消失、电导增强等。溶液化学法是制备超细粉体的一种重要方法，其中以溶胶－凝胶法最为常用。

2. 溶胶－凝胶法合成BaTiO3纳米粉体的基本原理

溶胶—凝胶(简称Sol—Gel)法是以金属醇盐的水解和聚合反应为基础的。其反应过程通常用下列方程式表示：

（1）水解反应：

M(OR)4 + χ H2O = M(OR)4- χ OH χ + χ ROH

（2）缩合-聚合反应：

失水缩合－M-OH + OH-M－＝－M-O-M－＋H2O

失醇缩合－M-OR + OH-M－＝－M-O-M－＋ROH

缩合产物不断发生水解、缩聚反应，溶液的粘度不断增加。最终形成凝胶——含金属—氧—金属键网络结构的无机聚合物。正是由于金属—氧—金属键的形成，使Sol—Gel法能在低温下合成材料。Sol—Gel技术关键就在控制条件发生水解、缩聚反应形成溶胶、凝胶。

本次实验使用的钛酸丁酯(亦称丁醇钛)是一种非常活泼的醇盐，遇水会发生剧烈的水解反应。在Sol—Gel工艺中，让溶液系统暴露在空气中从空气中吸收水分，使水解反应不充分(或不完全)，其反应式可表示为

Ti(OR)4 + χ H2O = Ti(OR)4- χ OH χ + χ ROH （1）

式中,R=C

4H

9

为丁烷基，RO或OR为丁烷氧基。未完全水解反应的生成物

Ti(R)

4-χ

(OH)χ中的(OH)-极易与丁烷基(R)或乙羰基(R´=CH3CO)结合,生成丁醇或乙酸,而使金属有机基团通过桥氧聚合成有机大分子。如本实验可能发生典型的聚合反应的结构反应式为

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）实验中的水解及聚合反应在缓慢吸收空气中水分的过程中不断地进行着，实际

上是金属有机化合物经过脱酸脱醇反应，金属Ti4+和Ba2+通过桥氧键聚合成了有机大分子团链，随着这种分子团链聚合度的增大，溶液粘度增加，溶胶特征明显，经过一定时间就会变成半固体透明的凝胶。凝胶经过烘干，煅烧得到钛酸钡粉末。三、主要仪器与药品

仪器：烧杯，机械搅拌、烘箱；

药品：醋酸钡，乙酸，钛酸丁酯，无水乙醇。

四、实验步骤

1.称取醋酸钡0.02mol (5g)，量取36％的乙酸20ml，倒入烧杯中，搅拌使醋

酸钡完全溶解。

2.称取钛酸丁酯0.02mol (6.8g), 量取无水乙醇10ml，倒入锥形瓶中, 摇匀。

3.将上述两种溶液迅速混合，快速搅拌，溶液澄清后减慢搅拌速度，继续搅拌

2小时，停止搅拌，此时已经形成透明溶胶，使透明溶胶在空气中静置3－4小时，得到透明凝胶。

4.将凝胶取出，置于干燥皿中，在120°C下烘干。得到干凝胶，研磨得到淡

黄色粉末。

5.将粉末置于坩锅中，在800°C下煅烧4小时，得到纳米钛酸钡陶瓷粉末。

6.有条件的话用X－射线衍射分析钛酸钡粉末晶相及粒度。

五、思考题

1、控制水解－缩聚条件有那些途径？

加水量（速度）、搅拌速度和水浴温度、溶液ph

2、溶胶-凝胶法的优缺点？

答：（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。

（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。

（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度。

（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。（剪裁？）

但溶胶一凝胶法也存在某些问题：（1）原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；（2）通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长，常需要几天或儿几周：（3）凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。