无机材料制备技术讲解

3. 溶胶－凝胶合成法
? 溶胶—凝胶(sol-gel)合成是一种近期发展起来的能代替高 温固相合成反应制备陶瓷、玻璃和许多固体材料的新方法。 与传统的高温固相粉末合成方法相比，这种技术有以下几个 优点：
（1）通过各种反应物溶液的混合，很容易获得需要的均相多 组分体系；
（2）对材料制备所需温度可大幅度降低，从而能在较温和条 件下合成出陶瓷、玻璃、纳米复合材料等功能材料；
固相反应合成中的几个问题
? 1.关于反应物固体的表面积和接触面积
通过充分破碎和研磨，或通过各种化学途径制备粒度细、 比表面大、表面活性高的反应物原料。通过加压成片，甚至热 压成型使反应物颗粒充分均匀接触或通过化学方法使反应物组 分事先共沉淀或通过化学反应制成反应物先驱物。这些方法将 是非常有利于进一步固相合成反应的
? 2.关于固体原料的反应性
如原料固体结构与生成物结构相似，则结构重排较方便， 成核较易。如上述反应中由于MgO和尖晶石型MgAl2O4结构中 氧离子排列结构相似，因此易在MgO界面上或界面邻近的格内 通过局部规正反应或取向规正反应生成MgAl2O4晶核或进一步 晶体生长。其次反应物的反应性还与反应物的来源和制备条件、 存在状态特别是其表面的结构情况有密切关系
设计和选择合成路线，制备具有一定结构、性能的 新型无机化合物或无机材料；
化合物或材料合成途径和方法的改进及创新
第二章 高温合成
? 高温是无机合成的一个重要手段，为了进行高温无机合成， 就需要一些符合不同要求的产生高温的设备和手段。这些 手段和它们所能达到的温度，见下表
1. 高温还原反应
这是一类极具实际应用价值的合成反应。几乎所 有金属以及部分非金属均是借高温下热还原反应 来制备的。无论通过何种途径，例如在高温下借 金属的氧化物、硫化物或其它化合物与金属以及 其它还原剂相互作用以制备金属等等。还原反应 能否进行，反应进行的程度和反应的特点等均与 反应物和生成物的热力学性质以及高温下热反应 的?Hf、 ?Gf等关系紧密
溶胶-凝胶合成方法应用的近期进展
1．复合材料的制备 特别是纳米复合材料的制备。诸如（1）不同组分之
间的纳米复合材料；（2）不同结构之间的纳米复合材料； （3）由组成和结构均不同的组分所制备的纳米复合材料； （4）凝胶与其中沉积相组成的复合材料；（5）干凝胶 与金属相之间的纳米复合材料；（6）无机-有机纳米(杂 化)复合材料等均有了很大进展，且是一个非常重要的研 究领域
?无机材料制备的发展：
?其内涵大大扩充，它已不仅只局限于昔日传统的 合成，且包括了制备与组装科学
?新型无机材料已广泛应用于各个工业和科学领域
?其内容已从常规经典合成进入到大量特种实验技 术与方法下的合成，以至发展到开始研究特定结 构与性能无机材料的定向设计合成与仿生合成等。 其涉及面更为广阔
?无机制备与反应规律问题
化学
合成化学： ·无机合成
·有机合成 ·高分子合成
……
发展合成化学，不断地创造与开发新的物种，将为 研究结构、性能（或功能）与反应以及它们间的关 系，揭示新规律与原理提供基础，是推动化学学科 与相邻学科发展的主要动力
?纳米制备与合成技术的发展为建立纳米物理与纳 米化学提供了基础 ?C60及复合氧化物型超导体的合成推动了团簇化学 与物理的建立和超导科学的发展
（3）由于溶胶的前驱体可以提纯而且溶胶-凝胶过程能在低温 下可控制的进行，因而可制备高纯或超纯物质，且可避免在 高温下对反应容器的污染等问题；
（4）溶胶或凝胶的流变性质有利于通过某种技术如喷射、旋 涂、浸拉、浸渍等制备各种膜、纤维或沉积材料
溶胶－凝胶合成方法中的主要化学问题
溶胶—凝胶合成方法除具有上述特点外，由于这条合 成路线的中心化学问题是反应物分子(或离子)在水(醇) 溶液中进行水解(醇解)和聚合，即由分子态→聚合体→ 溶胶→凝胶→晶态(或非晶态)，所以这条合成路线不仅 具有上面提出的四个优点(或特点)，而且可以通过对其 过程化学上的了解和有效的控制来合成一些特定结构和 聚集态的固体化合物或材料
无机材料制备新技术
学院材料教研室
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第一章 绪论
?Stephen J Lippard ： 化学最重要的是制造新物质。化学不但研
究自然界的本质，而且创造出新分子、新催化 剂以及具有特殊反应性的新化合物。化学学科 通过合成优美而对称的分子源自文库赋予人们创造的 艺术；化学以新方式重排原子的能力，赋予我 们从事创造性劳动的机会，而这正是其它学科 所不能媲美的
2．陶瓷材料的制备 20世纪80年代溶胶—凝胶技术在新型功能陶瓷、结构
陶瓷及陶瓷基复合材料的制备科学中的应用也倍受重视， 且得到长足进步。如应用于粉体的制备，陶瓷薄膜与纤维 的制备，陶瓷材料的凝胶铸成型技术等等
4. 自蔓延高温合成
? 所谓自蔓延高温合成（SHS）材料制备是指利用原料本身的热能 来制备材料SHS方法的优点主要有能量利用充分；产品纯度高，(因为 SHS能产生1500-4000℃高温使其中大量杂质蒸发而除去)；产量高(因 为反应传播速度可达0.1-15cm/s，大大高于常规合成方法；以及在反应 过程中，材料经历了很大的温度变化，非常高的加热和冷却速率，使 生成物中缺陷和非平衡相比较集中，因此某些产物比用传统方法制造 的产物更具有活性，例如更容易烧结；可以制造某些非化学汁量比的 产品、中间产物以及介稳相等
2. 高温下的固相反应
这是一类很重要的高温合成反应。一大批具有特种 性能的无机功能材料和化合物，如为数众多的各类 复合氧化物、含氧酸盐类、二元或多元金属陶瓷化 台物(碳、硼、硅、磷、硫族等化合物）等等。都是 通过高温下 (一般1000-1500℃)反应物固相间的直接 合成而得到的。因而这类合成反应不仅有其重要的 实际应用背景，且从反应来看有明显特点。
? 一个SHS反应要能进行，引燃是关键，SHS反应的引燃需要高能量。 概括起来，SHS反应的引燃技术有以下几种，如燃烧波点火：采用点 火剂，如用钨丝或镍铬合全线圈点燃。这是SHS发明者首先建议的， 也是目前应用最广的一种点火方式。辐射流点火：用氙灯等作为辐射 源，采用辐射脉冲的方式点火。其它诸如激光点火法、火花点火、电 热爆炸、微波能点火、化学(自燃式)点火，及线性加热等等