材料科学基础实验评分标准

湖北工程学院
2016-2017年度第一学期期末考核试卷
参考答案及评分标准
课程名称：材料科学基础实验考试班级：0143013241/2 试卷类型：A/B执笔人：袁明
一、实验目的（10分）
1. 用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2微粉。

（3分）
2．掌握溶胶-凝胶法制备纳米粒子的原理。

（3分）
3．了解纳米粒子常用的表征手段。

（4分）
二、实验原理（20分）
溶胶－凝胶法(Sol－Gel法)是指无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的方法。

溶胶是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停的进行布朗运动的体系。

根据粒子与溶剂间相互作用的强弱，通常将溶胶分为亲液型和憎液型两类。

由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高，溶胶是热力学不稳定体系。

凝胶是指胶体颗粒或高聚物分子互相交联，形成空间网状结构，在网状结构的孔隙中充满了液体(在干凝胶中的分散介质也可以是气体)的分散体系。

并非所有的溶胶都能转变为凝胶，凝胶能否形成的关键在于胶粒间的相互作用力是否足够强，以致克服胶粒－溶剂间的相互作用力。

对于热力学不稳定的溶胶，增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。

因此，胶粒间相互靠近或吸附聚合时，可降低体系的能量，并趋于稳定，进而形成凝胶。

（5分）该方法的优点是：(1)反应温度低，反应过程易于控制；(2)制品的均匀度和纯度高、均匀性可达分子或原子水平；(3)化学计量准确，易于改性，掺杂的范围宽(包括掺杂的量和种类)；(4)从同一种原料出发，改变工艺过程即可获得不同的产品如粉料、薄膜、纤维等；(5)工艺简单，不需要昂贵的设备。

但目前该项技术还处于发展完善阶段，如采用的金属醇盐成本较高以及如何选择催化剂、溶液的pH值、水解、聚合温度以及防止凝胶在干燥过程中的开裂等。

随着科学工作者的不断努力，对溶胶－凝胶机理的进一步认识，其方法在制备新材料领域会得到更加广泛的应用。

（10分）
钛酸四丁酯的水解反应为分步水解，方程式为：
Ti(OR)n+H2O Ti(OH)(OR)n-1+ROH
Ti(OH)(OR)n-1+H2O Ti(OH)2(OR)n-2+ROH
反应持续进行,直到生成Ti(OH)n.
缩聚反应：
—Ti—OH+HO—Ti——Ti—O—Ti+H2O
—Ti—OR+HO—Ti——Ti—O—Ti+ROH
最后获得氧化物的结构和形态依赖于水解与缩聚反应的相对反应程度，当金属-氧桥-聚合物达到一定宏观尺寸时，形成网状结构从而溶胶失去流动性，即凝胶形成。

（5分）
三、仪器与试剂（10分）
仪器：电磁搅拌器，离心机，恒温干燥厢，高温炉，TG/DTA320 热重/差热分析仪；Magna-550Ⅱ傅立叶变换红外光谱仪。

试剂：钛酸丁酯，无水乙醇，冰醋酸（各试剂均用A.R或C.P级产品）。

四、实验操作步骤（20分）
1.室温下将10mL钛酸四丁酯缓慢倒入50mL无水乙醇，放置几分钟，得到均匀透明的溶液（1）；（4分）
2.将10mL冰醋酸加入到10mL蒸馏水与40mL无水乙醇中，剧烈搅拌，得到溶液（2）；（4分）
3.再于剧烈搅拌下将已移入分液漏斗中的溶液（1）缓慢滴加到溶液（2）中，约25min 滴完，得到均匀透明的溶胶，继续搅拌15min后，在室温下静置，待形成透明凝胶后，65℃下真空干燥，玛瑙碾磨，得到干凝胶粉末；（4分）
4.再在500℃下于高温炉中煅烧2h便得到锐钛矿型TiO2纳米粉体；（4分）
5.改变溶液（2）的用量，探索凝胶形成条件。

（4分）
五、数据处理及分析讨论（40分）
1.将干燥后产物用TG/DTA320热重/差热分析仪进行热分析，条件：氮气气氛，升温速率为5℃/min，温度范围为室温至600℃。

（10分）
2.将煅烧后XRD分析。

（10分）
通过本次实验，更近一步学习、了解了用溶胶-凝胶法制备胶体的方法。

本次实
验制备的实验产品是纳米TiO2微粉。

通过孤立法，先固定滴定速度，探究反应物的最佳浓度；得到形成均匀胶体的反应物最佳浓度后，固定最好的浓度来变换不同的滴定速度滴定来探究胶体的形成情况。

完成实验后知道了在制备用溶胶-凝胶法制备纳米粒子胶体的最好的浓度，知道了两种溶液混合时速度越慢越好，当然，这个慢也是有个限度的吧！在这个实验中，70min 滴定完就已经可以得到很好的溶胶了。

（20分）。