无机非金属材料化学制备方法
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第三章 无机非金属材料化学制备方法
无机材料的分类
3.1节 无机材料粉体的制备方法
➢ 粉体是小于一定粒径的颗粒集合，不能忽视分子间的作用 力。少量主要体现粒子的微观特性，大量时共同体现出宏 观特性。
➢ 粉体的种类通常有四种： 原级、聚集体、凝胶体、絮凝体颗粒
➢ 粒径是粉体最重要的物理性能，对粉体的比表面积、可压 缩性、流动性和工艺性能有重要影响。
➢液相反应法制备超细粉体的共同特点是：均以均相的溶液为 出发点，通过各种途径使溶质和溶剂分离，溶质形成一定形状 和大小的颗粒，得到所需粉末的前驱体，热解后得到纳米微 粒。
液相反应法是当前实验室和工业上广泛采用的合成高纯超细 粉的方法。其主要的优点： （1）精确控制化学组成； （2）易于添加微量有效成分； （3）超细粒子形状和尺寸也比较容易控制。 特别适合制备组成均匀，且纯度高的复合氧化物超细粉。
• 溶液的pH值、溶液的离子或分子浓度、反应温度和时间是控制溶胶凝胶 化的四个主要参数。
• 溶胶－凝胶法优点： 通过受控水解反应能够合成亚微米级（0.1 µm～1.0 µm）、球状、
粒度分布范围窄、物团聚或少团聚且无定形态的超细氧化物陶瓷粉体， 并能加速粉体再烧成过程中的动力学过程，降低烧成温度。
Байду номын сангаас
前驱体溶解
• 进料粒度约在１～0.1 mm之间， 出 料细度可达１um左右。
优点：不需要任何固体研磨介质，故可以保证物料的纯度； 在粉碎过程中，颗粒能自动分级，粒度较均匀；能够连续操 作，有利于生产自动化。 缺点：耗电量大，附属设备多；干磨时，噪音和粉尘都较大。
四、胶体磨粉碎 粉碎原理：利用固定磨子(定子)和高速旋转磨体(转子)的相 对运动产生强烈的剪切、摩擦和冲击等力。被处理的料浆通 过两磨体之间的微小间隙，在上述各力及高频振动的作用下 被有效地粉碎、混合、乳化及微粒化。
➢ 粉体的制备方法一般可分为粉碎法（机械法）和合成法两 种。也就是按制备方法的性质：物理方法与化学方法
机械法制备粉体
一、圆锥破碎机
按用途可分为粗碎（旋回破碎机）和细 碎（菌形破碎机）两种 按结构又可分为悬挂式和托轴式两种。
优点： 产能力大，破碎比 大， 单位电耗低。
缺点：构造复杂，投资费用 大，检修维护较困难
1-动锥；2-定锥；3-破碎后的物料；4-破碎腔
二、球磨粉碎
1-电动机；2-离合器操纵杆；3-减速器；4-摩擦离合器；5-大齿圈；6-筒身； 7-加料口；8-端盖；9-旋塞阀；10-卸料管；11-主轴头；12-轴承座；13-机座； 14-衬板；15-研磨
❖当筒体旋转时带动研磨体旋转，靠离心力和摩擦力的作用，将磨 球带到一定高度。当离心力小于其自身重量时，研磨体下落，冲击 下部研体及筒壁，而介于其间的粉料便受到冲击和研磨。 ❖球磨机对粉料的作用可以分成两个部分。一是研磨体之间和研磨 体与筒体之间的研磨作用；二是研磨体下落时的冲击作用。 ❖进料粒度为6mm，球磨细度为1.5~0.075 mm。
SiO2 + C → SiO+CO SiO + 2C → SiC+CO SiO + C → Si+CO Si + C → SiC 2、钛酸钡粉末、尖晶石粉末、莫来石粉末的合成都是化学反应 法： BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2 Al2O3+MgO→MgAlO4
二、液相法
➢ 液相法是选择一种或多种合适的可溶性金属盐类，按所制备的材料组 成计量配制成溶液，使各元素呈离子或分子态，再选择一种合适的沉 淀剂或用蒸发、升华、水解等操作，使金属离子均匀沉淀或结晶出来 ，最后将沉淀或结晶的脱水或者加热分解而得到所需材料粉体。
胶体磨的主要特点如下： （1）可在较短时间内对颗粒、聚合体或悬浊液等进行粉碎、分散、均匀 混合、乳化处理；处理后的产品粒度可达几微米甚至亚微米。 （2）由于两磨体间隙可调(最小可达1µm)，因此，易子控制产品粒度。 （3）结构简单，操作维护方便，占地面积小。 （4）由于固定磨体和高速旋转磨体的间隙小，因此加工精度高。
进料粒度为1mm，出料粒度可达1m以下。
影响机械法制备粉体的因素主要有？
• 机械球磨的时间 • 机械球磨的转速 • 机械设备的选取 • 温度、压力
化学合成法制备粉体
一、固相法 固相反应法是把金属盐或金属氧化物按配方充分 混合，经研磨后再进行煅烧发生固相反应后，直 接得到或再研磨后得到超细粉。
固相法通常具有以下特点： 1）固相反应一般包括物质在相界面上的反应和物质迁
三、气流粉碎
• 粉碎原理：利用高压流体(压缩空气 或过热蒸汽)作为介质，将其高速通 过细的喷嘴射入粉碎室内，此时气流 体积突然膨胀、压力降低、流速急剧 增大(可以达到音速或超音速)，物料 在高速气流的作用下，相互撞击、摩 擦、剪切而迅速破碎，然后自动分级 ，达到细度的颗粒被排出磨机。粗颗 粒将进一步循环、粉碎，直至达到细 度要求。
水解
缩聚
老化
溶液
溶胶
凝胶
凝胶
水热法
• 水热法的反应机理： 粉体晶粒的形成经历了“溶解—结晶”2个阶段,首先营养料在热
介质里溶解,以离子、分子团的形式进入溶液,利用强烈对流,将这些离 子、分子和离子团输送并放在籽晶的生长区(低温区)形成饱和溶液,进 而成核,形成晶粒,继而结晶。
水热法制备的粉体的优点：
移两个过程。 2）一般需要在高温下进行。 3）整个固相反应速度由最慢的速度所控制。 4）固相反应的反应产物具阶段性：原料→最初产物→
中间产物→最终产物。
优点： 粉体颗粒无团聚、填充性好、成本低、产量大、制备 工艺简单
缺点：能耗大、效率低、粉体不够细、易混入杂质
运用实例：
1、SiC粉末的制备：将SiO2与碳粉混合，在1460～1600℃的 加热条件下，逐步还原碳化。其大致历程如下：
➢ 沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法、水解法、电解法、氧化法、还原法、 喷雾法、冻结干燥法等。
溶胶-凝胶法
• 溶胶-凝胶法是指将金属氧化物或氢氧化物的溶胶变为凝胶，再经 干燥、煅烧，制得氧化物粉末的方法。即先造成微细颗粒悬浮在水
溶液中（溶胶），再将溶胶滴入一种能脱水的溶剂中使粒子凝聚 成胶体状，即凝胶，然后除去溶剂或让溶质沉淀下来。
无机材料的分类
3.1节 无机材料粉体的制备方法
➢ 粉体是小于一定粒径的颗粒集合，不能忽视分子间的作用 力。少量主要体现粒子的微观特性，大量时共同体现出宏 观特性。
➢ 粉体的种类通常有四种： 原级、聚集体、凝胶体、絮凝体颗粒
➢ 粒径是粉体最重要的物理性能，对粉体的比表面积、可压 缩性、流动性和工艺性能有重要影响。
➢液相反应法制备超细粉体的共同特点是：均以均相的溶液为 出发点，通过各种途径使溶质和溶剂分离，溶质形成一定形状 和大小的颗粒，得到所需粉末的前驱体，热解后得到纳米微 粒。
液相反应法是当前实验室和工业上广泛采用的合成高纯超细 粉的方法。其主要的优点： （1）精确控制化学组成； （2）易于添加微量有效成分； （3）超细粒子形状和尺寸也比较容易控制。 特别适合制备组成均匀，且纯度高的复合氧化物超细粉。
• 溶液的pH值、溶液的离子或分子浓度、反应温度和时间是控制溶胶凝胶 化的四个主要参数。
• 溶胶－凝胶法优点： 通过受控水解反应能够合成亚微米级（0.1 µm～1.0 µm）、球状、
粒度分布范围窄、物团聚或少团聚且无定形态的超细氧化物陶瓷粉体， 并能加速粉体再烧成过程中的动力学过程，降低烧成温度。
Байду номын сангаас
前驱体溶解
• 进料粒度约在１～0.1 mm之间， 出 料细度可达１um左右。
优点：不需要任何固体研磨介质，故可以保证物料的纯度； 在粉碎过程中，颗粒能自动分级，粒度较均匀；能够连续操 作，有利于生产自动化。 缺点：耗电量大，附属设备多；干磨时，噪音和粉尘都较大。
四、胶体磨粉碎 粉碎原理：利用固定磨子(定子)和高速旋转磨体(转子)的相 对运动产生强烈的剪切、摩擦和冲击等力。被处理的料浆通 过两磨体之间的微小间隙，在上述各力及高频振动的作用下 被有效地粉碎、混合、乳化及微粒化。
➢ 粉体的制备方法一般可分为粉碎法（机械法）和合成法两 种。也就是按制备方法的性质：物理方法与化学方法
机械法制备粉体
一、圆锥破碎机
按用途可分为粗碎（旋回破碎机）和细 碎（菌形破碎机）两种 按结构又可分为悬挂式和托轴式两种。
优点： 产能力大，破碎比 大， 单位电耗低。
缺点：构造复杂，投资费用 大，检修维护较困难
1-动锥；2-定锥；3-破碎后的物料；4-破碎腔
二、球磨粉碎
1-电动机；2-离合器操纵杆；3-减速器；4-摩擦离合器；5-大齿圈；6-筒身； 7-加料口；8-端盖；9-旋塞阀；10-卸料管；11-主轴头；12-轴承座；13-机座； 14-衬板；15-研磨
❖当筒体旋转时带动研磨体旋转，靠离心力和摩擦力的作用，将磨 球带到一定高度。当离心力小于其自身重量时，研磨体下落，冲击 下部研体及筒壁，而介于其间的粉料便受到冲击和研磨。 ❖球磨机对粉料的作用可以分成两个部分。一是研磨体之间和研磨 体与筒体之间的研磨作用；二是研磨体下落时的冲击作用。 ❖进料粒度为6mm，球磨细度为1.5~0.075 mm。
SiO2 + C → SiO+CO SiO + 2C → SiC+CO SiO + C → Si+CO Si + C → SiC 2、钛酸钡粉末、尖晶石粉末、莫来石粉末的合成都是化学反应 法： BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2 Al2O3+MgO→MgAlO4
二、液相法
➢ 液相法是选择一种或多种合适的可溶性金属盐类，按所制备的材料组 成计量配制成溶液，使各元素呈离子或分子态，再选择一种合适的沉 淀剂或用蒸发、升华、水解等操作，使金属离子均匀沉淀或结晶出来 ，最后将沉淀或结晶的脱水或者加热分解而得到所需材料粉体。
胶体磨的主要特点如下： （1）可在较短时间内对颗粒、聚合体或悬浊液等进行粉碎、分散、均匀 混合、乳化处理；处理后的产品粒度可达几微米甚至亚微米。 （2）由于两磨体间隙可调(最小可达1µm)，因此，易子控制产品粒度。 （3）结构简单，操作维护方便，占地面积小。 （4）由于固定磨体和高速旋转磨体的间隙小，因此加工精度高。
进料粒度为1mm，出料粒度可达1m以下。
影响机械法制备粉体的因素主要有？
• 机械球磨的时间 • 机械球磨的转速 • 机械设备的选取 • 温度、压力
化学合成法制备粉体
一、固相法 固相反应法是把金属盐或金属氧化物按配方充分 混合，经研磨后再进行煅烧发生固相反应后，直 接得到或再研磨后得到超细粉。
固相法通常具有以下特点： 1）固相反应一般包括物质在相界面上的反应和物质迁
三、气流粉碎
• 粉碎原理：利用高压流体(压缩空气 或过热蒸汽)作为介质，将其高速通 过细的喷嘴射入粉碎室内，此时气流 体积突然膨胀、压力降低、流速急剧 增大(可以达到音速或超音速)，物料 在高速气流的作用下，相互撞击、摩 擦、剪切而迅速破碎，然后自动分级 ，达到细度的颗粒被排出磨机。粗颗 粒将进一步循环、粉碎，直至达到细 度要求。
水解
缩聚
老化
溶液
溶胶
凝胶
凝胶
水热法
• 水热法的反应机理： 粉体晶粒的形成经历了“溶解—结晶”2个阶段,首先营养料在热
介质里溶解,以离子、分子团的形式进入溶液,利用强烈对流,将这些离 子、分子和离子团输送并放在籽晶的生长区(低温区)形成饱和溶液,进 而成核,形成晶粒,继而结晶。
水热法制备的粉体的优点：
移两个过程。 2）一般需要在高温下进行。 3）整个固相反应速度由最慢的速度所控制。 4）固相反应的反应产物具阶段性：原料→最初产物→
中间产物→最终产物。
优点： 粉体颗粒无团聚、填充性好、成本低、产量大、制备 工艺简单
缺点：能耗大、效率低、粉体不够细、易混入杂质
运用实例：
1、SiC粉末的制备：将SiO2与碳粉混合，在1460～1600℃的 加热条件下，逐步还原碳化。其大致历程如下：
➢ 沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法、水解法、电解法、氧化法、还原法、 喷雾法、冻结干燥法等。
溶胶-凝胶法
• 溶胶-凝胶法是指将金属氧化物或氢氧化物的溶胶变为凝胶，再经 干燥、煅烧，制得氧化物粉末的方法。即先造成微细颗粒悬浮在水
溶液中（溶胶），再将溶胶滴入一种能脱水的溶剂中使粒子凝聚 成胶体状，即凝胶，然后除去溶剂或让溶质沉淀下来。