溶胶-凝胶法制备陶瓷材料研究进展

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1、溶胶-凝胶法制备陶瓷材料研究进展摘要：由于溶胶-凝胶法具有反应温度低、反应达到分子水平上的均匀、工艺简单等优点，目前应用该法制备陶瓷材料已经很普遍。本文在简述溶胶-凝胶法基本原理的基础上，对近年溶胶-凝胶法制备结构陶瓷材料和功能陶瓷材料的研究现状进行了评述，指出了溶胶-凝胶法制备陶瓷材料存在的问题以及今后的主要研究方向。关键词：溶胶凝胶法；结构陶瓷；功能陶瓷；展望1引言溶胶-凝胶法(Sol-Gel)作为一种制备材料的低温湿化学合成法，由于具冇制品纯度高、颗粒细、化学均匀性好，可容纳不溶性组分和不沉淀组分，掺杂分布均匀、合成温度低、成分容易控制、工艺

2、设备简单等优点,已经被广泛应用于陶瓷、玻璃、橡胶、纳米材料、有机-无机杂化材料等材料的制备[1-3]o目前，溶胶-凝胶法制备新材料正处于迅速发展阶段，尤其是陶瓷材料方面。本文介绍了溶胶-凝胶法的基本原理，利用溶胶凝胶法制备陶瓷材料的研究现状、存在问题以及其发展方向。2溶胶凝胶法的反应机理溶胶-凝胶法基本原理是：将原料，一般为金属无机盐或金属醇盐溶于溶剂(水或醇)中形成均匀溶液,溶质与溶剂发生水解(或醇解)-聚合反应,生成的聚合体纳米级粒子形成均匀的溶胶，经过干燥或脱水转化成凝胶，再经过热处理得到所需要的超细粉体、纤维或薄膜［4］。其最基本的反应是：

3、(1)水解反应：M(OR)n+xH20->M(OH)x(OR)n-x+xROH(1)(2)聚合反应：M-OII+IIO-MM-O-M+112()(2)M-OR+HO-M->M-O-M+ROH(3)与其它方法相比，溶胶-凝胶法具有许多独特的优点：(1)由于溶胶一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，较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，溶液中的化学反应较容易进行

4、，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶-凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低；(4)选择合适的条件，可以制备各种新型材料。3溶胶-凝胶法制备陶瓷材料研究现状3.1影响溶胶凝胶化的主要因素溶液的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。而溶液的Pll值和反应温度是制备简单氧化物（如SiO2和A100H）粉体的主要控制条件，不同溶胶的凝胶过程是不同的［5］。王海震、王秀峰［6］等用溶胶-凝胶法制备了BiO.5NaO.5TiO3细粉。采用正交试验法，分析了反应

5、温度、溶液pH值、加水量对最终BNT粉体粒径的影响。正交试验的结果表明，各因素对粉体晶粒尺寸影响的显著性水平由大到小的顺序为加水量〉溶液pll值〉反应温度。史振彦、田鹏［7］等以钛酸四丁酯为钛源，无水乙醇为溶剂，硝酸或氨水为催化剂,冰醋酸或三乙醇胺为螯合剂，用溶胶-凝胶法来合成Ti02凝胶，认为影响凝胶形成时间的因素主要有：加水量与加水方式、乙醇的用量、溶液pH值的范围及水解温度等。溶胶-凝胶法制备疑基磷灰石（IIA）粉体一般以亚磷酸三乙酯或亚磷酸三甲酯作为磷的前驱体,水解后的亚磷酸酯与Ca的前驱体（一般为硝酸钙、二乙醇钙或醋酸钙）缓慢反应形成含一

6、Ca—P—化合键的共聚物。陈少波、孙挺［8］等认为溶胶-凝胶法制备HA是一个复杂的反应过程，其影响因素众多，如磷前驱体水解时间、水解时有无催化剂的加入以及体系陈化时间等因素对反应速度及反应产物的结构都有不同程度的影响。超声的空化作用易使反应体系内物质均匀混合,消除局部浓度不匀,可提高反应速度，促进新相的形成，对团聚体还可以起到破碎作用。近几年超声波在纳米材料制备中的应用研究异常活跃，并且已经利用超声场分别制得了SiO2-TiO2和Si02-P205凝胶⑼。DelaRosa等人［10］还发现应用超声波可以改变硅凝胶的结构。陈玲、李晓玺［11］等在氧氯

7、化链水解聚合形成溶胶、凝胶的反应过程中加入一定功率、一定次数的超声场，使氢氧化错湿凝胶更加细腻、致密、均匀。他认为利用超声的空化作用所产生的高温高压以及所赋予体系的能量，可降低氢氧化钻胶粒形核的临界吉布斯自由能变AG*和临界胶核半径r*,使得反应体系的成核速率极大提高，为微小胶粒的大量形成提供了优良的环境。3.2结构陶瓷材料制备纳米复合陶瓷材料的技术关键之一是把纳米级颗粒均匀分散到微米陶瓷基体屮［12］。许多研究者利用溶胶-凝胶法制备的结构陶瓷均表现出优异的性能。宋宏建［13］等用凝胶法制备熔融石英纳米复合陶瓷，纳米相白炭黑的加入量为3%〜4%,凝

8、胶化温度60~70°C,烧结温度在1250°C左右，得到纳米相粒子均匀分布的陶瓷坯体。结果表明，引入纳米相颗粒对促进熔融石