材料化學合成實驗二

1、材料化學合成實驗二溶膠-凝膠法制備鈦酸鋼納米粉體溶膠一凝膠技術是指金屬有機或無機化合物經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處 理而成氧化物或其他化合物固體的方法。該法在制備材料初期就進行控制，使均勻性可達 到亞微米級、納米級甚至分子級水平，也就是說在材料制造早期就著手控制材料的微觀結 構，而引出“超微結構工藝過程”的概念，進而認識到利用此法可對材料性能進行剪裁。 溶膠凝膠法不僅可用于制備微粉。而且可用于制備薄膜、纖維、體材和復合材料。其優(yōu)缺點如下：高純度 粉料(特別是多組分粉料)制備過程中無需機械混合，不易引進雜質; 化學均勻性好 由于溶膠一凝膠過程中，溶膠由溶液制得，化合物在分子級水平混合，

2、故膠粒內及膠粒間化學成分完全一致；顆粒細 膠粒尺寸小于0.1 Um；該法可容納不 溶性組分或不沉淀組分不溶性顆粒均勻地分散在含不產生沉淀的組分的溶液中，經(jīng)溶膠 凝化，不溶性組分可自然地固定在凝膠體系中，不溶性組分顆粒越細，體系化學均勻性越 好：摻雜分布均勻可溶性微量摻雜組分分布均勻，不會分離、偏折，比醇鹽水解法優(yōu) 越：合成溫度低，成分容易控制：粉末活性高；工藝、設備簡單，但原材料價格昂 貴：烘干后的球形凝膠顆粒白身燒結溫度低，但凝膠顆粒之間燒結性差，即體材料燒結 性不好：干燥時收縮大一、實驗目的1、了解溶膠一凝膠制備納米粉體的方法 2、制備納米鈦酸領陶瓷粉體二、實驗原理1 .溶膠一凝膠法的基本

3、原理溶膠一凝膠(簡稱Sol-Gel)法是以金屬醇鹽的水解和聚合反應為基礎的。其反應過程 通常用下列方程式表示：(1)水解反應：M(0R)4 + xH20 = M(0R)4- x OH x + x ROH (2)縮合-聚合反應：失水縮合 一M-OH + 0H-M- =+ H20 失醇縮合 一M-OR + 0H-M- = -M-0-M-4-R0H縮合產物不斷發(fā)生水解、縮聚反應，溶液的粘度不斷增加。最終形成凝膠一一含金 屬一氧一金屬鍵網(wǎng)絡結構的無機聚合物°正是由于金屬一氧一金屬鍵的形成，使Sol-Gel 法能在低溫下合成材料。Sol-Gel技術關鍵就在控制條件發(fā)生水解、縮聚反應形成溶膠、凝

4、膠。2.溶膠一凝膠方法合成BaTi03納米粉體的工藝流程及原理鈦酸丁酯(亦稱丁醇鈦)是一種非常活潑的醇鹽，遇水會發(fā)生劇烈的水解反應，如果有 足夠的水參與反應，一般將生成性能穩(wěn)定的氫氧鈦。在Sol-Gel工藝中，必須嚴格地控 制水的摻量，甚至不摻水，而讓溶液系統(tǒng)暴露在空氣中從空氣中吸收水分，使水解反應不 充分(或不完全)，其反應式可表示為Ti(0R)4 + x H20 = Ti(0R)4- x OH x+ x ROH(1) 式中,R二C4H9為丁烷基，RO或OR為丁烷氧基。未完全水解反應的生成物Ti(R)4- x(0H) x中的(OH)-極易與丁烷基(R)或乙銀基(R'=CH3CO)結合

5、，生成丁醇或乙酸, 而使金屬有機基團通過橋氧聚合成有機大分子。如本實驗可能發(fā)生典型的聚合反應的結構 反應式為實驗中的水解及聚合反應在緩慢吸收空氣中水分的過程中不斷地進行著，實際上是金 屬有機化合物經(jīng)過脫酸脫醇反應，金屬Ti4+和Ba2+通過橋氧鍵聚合成了有機大分子團鏈, 隨著這種分子團鏈聚合度的增大，溶液粘度增加，溶膠特征明顯，經(jīng)過一定時間就會變成 半固體透明的凝膠。膠經(jīng)過烘干，燃燒得到鈦酸鋼粉末。 三、主要儀器與藥品燒杯，機械攪拌、烘箱、坨煙、量筒、玻璃棒； 醋酸鋼，乙酸，鈦酸丁酯，無水乙 醇。四、實驗步驟1 .稱取醋酸鎖0. 02mol (5g),量取36%的乙酸20mL倒入燒杯中,攪拌使

6、醋酸飲完 全溶解。2 .稱取鈦酸丁酯0. 02mol (6.8g),量取無水乙醇10ml,倒入錐形瓶中，搖勻。3 .將上述兩種溶液迅速混合，快速攪拌，溶液澄清后減慢攪拌速度，繼續(xù)攪拌2小 時，停止攪拌，此時已經(jīng)形成透明溶膠，使透明溶膠在空氣中靜置3 4小時，得到透明 凝膠。4 .將凝膠取出，置于干燥皿中，在120° C下烘干。得到干凝膠，研磨得到淡黃色粉 末。5 .將粉末置于用鍋中，在800° C下煨燒4小時，得到納米鈦酸領陶針粉末。五、測試設計1、是否為納米陶瓷粉體通過用X一射線衍射分析鈦酸鋼粉末晶相及粒度來檢測制備的材料是否達到要求2、比表面積測定 用BET比表面積測試

7、儀測試。氣體選用氫氣，標樣用碳粉 末。實驗數(shù)據(jù)處理后可得其比表面積。六、發(fā)展前景電子陶究用鈦酸鋼粉體超細粉體技術是當今高科技材料領域方興未艾 的新興產業(yè)之一。由于其具有的高科技含量，粉體細化后產生的材料功能的特異性，使之 成為新技術革命的基礎產業(yè)。鈦酸鋼粉體是電子陶瓷元器件的重要基礎原料，高純超細鈦 酸鋼粉體主要用于介質陶瓷、敏感陶瓷的制造，其中的多層陶瓷電容器、PTC熱敏電阻器 件與我們的日常生活密切相關，如PTC熱敏電阻在冰箱啟動器、彩電消磁器、程控電話機、 節(jié)能燈、加熱器等領域有著廣泛的應用：MLC多層陶瓷電容在大規(guī)模集成電路方面應用廣 泛 鈦酸鋼(BaTiO3)具有良好的介電性，是電子陶瓷領域應用最廣的材料之一。傳統(tǒng)的 BaTiO3制備方法是固相合成，這種方法生成的粉末顆粒粗且硬，不能滿足高科技應用的要 求?，F(xiàn)代科技要求陶瓷粉體具有高純、超細、粒徑分布窄等特性，納米材料與粗晶材料相 比在物理和機械性能方面有極大的差