无机非金属材料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,无机非金属材料制备及应用,材料,材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件（或物体的）物质。,材料的分类,材料,化学组成,使用功能,无机非金属材料,金属材料,有机高分子材料,复合材料,功能材料,结构材料,信息材料,无机非金属材料,是指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。,传统无机非金属材料,陶瓷、玻璃、水泥,以含硅物质为原料加热制成,二氧化硅,二氧化硅又称硅石，化学式,SiO,2,，自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种，结晶二氧化硅因晶体结构不同，分为石英，磷石英和方石英三种。纯石英为无色晶体，自然界存在一般为无定形二氧化硅，为白色固体或粉末状。,SiO,2,超微粉体为白色粉体，相对密度,为,2.319,-,2.653,g.cm,-3,，,熔点,为,1750,，,无毒、无味、无污染。这种材料明显显现出絮状或网状的准颗粒结构，颗粒尺寸小，比表面积大。Si,O,2,微粒由于其粒径非常小，因而它所表现出来的小尺寸效应和表面界面效应使其具有与常规的块体及粗颗粒材料不同的特殊特性。,超细二氧化硅粉体制备方法,物理方法：一般指机械粉碎法。利用超级气流粉碎机或高能球磨机将二氧化硅的聚集体粉碎。但该方法工艺简单，容易带入杂质，制粉效率低且粒径分布较宽。,化学方法,1,2,3,4,5,化学气相法（CVD）,化学沉淀法,微乳液法,水热合成法,溶胶-凝胶法（Sol-Gel）,化学气相法,气相法多以SiCl,4,为原料，采用SiCl,4,气体在高温氢氧气流下水解制得烟雾状的SiO,2,反应方程式：,2H,2,+O,2,2H,2,O,SiCl,4,+2H,2,OSiO,2,+4HCl,2H,2,+O,2,+SiCl,4,SiO,2,+4HCl,化学沉淀法,通常用水玻璃和盐酸或其他酸化剂，适时加入表面活性剂到反应体系中，控制合适的合成温度，将得到的沉淀用离心法分离洗涤，经一定且合适的温度干燥，最后高温灼烧一定时间后得到白色轻质的SiO,2,粉末。,化学方程式：,Na,2,SiO,3,+HClxSiO,2,yH,2,O+NaCl,xSiO,2,yH,2,OSiO,2,+H,2,O,微乳液法,微乳液法是液相化学制备法中最新颖的一种。微乳液由表面活性剂、助表面活性剂、油、水组成，首先形成乳液，剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂中形成一个个微泡，微泡表面由表面活性剂组成，尺寸大小在,5,100nm,之间。在微泡中可成核生长、凝结、团聚等，其过程局限于微小的球形内，从而形成球形颗粒，且避免了颗粒之间进一步团聚，其反应物大多是硅酸酯，如正硅酸乙酯,(TEOS),等,水热合成法,水热合成法是指在特制的密闭反应容器（高压釜）里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解。,水热法制备SiO,2,通常是将正硅酸乙酯、蒸馏水的混合溶液放入反应釜中，在一定温度和压力下均匀搅拌一定时间得到粉体。反应的方程式如下：,5Si(OC,2,H,5,),4,+H,2,O,Si,5,O,4,(OH)+12C,2,H,5,OH,Si,5,O,4,(OH),12,5,SiO,2,+6H,2,O,将得到的沉淀过滤、洗涤、干燥则得到最终的SiO,2,粉体。,溶胶（Sol）,是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1100nm之间。,凝胶（Gel）,是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在13之间。,溶胶凝胶法,溶胶,无固定形状,固相粒子自由运动,凝胶,固定形状,固相粒子按一定网架结构固定不能自由移动,溶胶（,Sol,）是由孤立的细小粒子或大分子组成，分散在溶液中的胶体体系。,当液相为水时称为水溶胶（,Hydrosol,）,;,当为醇时称为醇溶胶（,alcosol,）。,凝胶（,Gel,）是一种由细小粒子聚集而成三维网状结构的具有固态特征的胶态体系，凝胶中渗有连续的分散相介质。,按分散相介质不同可分为水凝胶（,Hydrogel,）、醇凝胶（,alcogel,）和气凝胶（,aerogel,）。,沉淀物（,precipitate,）由孤立粒子聚集体组成而区别于凝胶。,溶胶,-,凝胶法的原理,简单的讲，溶胶凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化后，胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米结构的材料。,溶胶-凝胶法一般可分为两类，即无机盐溶胶-凝胶法和金属醇盐水解法。,1.在无机盐溶胶-凝胶法中，溶胶的制备是通过对无机盐沉淀过程的控制，使生成的颗粒不团聚成大颗粒而生成沉淀，直接得到溶胶且溶胶的形成主要是通过无机盐的水解来完成。,2.,金属醇盐水解法通常是以金属有机醇盐为原料，通过水解与缩聚反应而制得溶胶。首先将金属醇盐溶入有机溶剂，加水则会发生如下反应。,水解反应,金属醇盐,M(OR),n,(n为金属M 的化合价)与水反应为：,M(OR),n,+xH,2,OM(OH),x,(OR),n-x,+xROH,缩聚反应,失水缩聚 一MOH+OHM一MOM一+H,2,O,失醇缩聚 一MOR+OHM一MOM一+ROH,溶解,前驱体,溶液,溶胶,凝胶,凝胶,水解,缩聚,陈化,具体粉体制备,最后将得到的凝胶干燥、煅烧得到,SiO,2,粉体,原理：,操作流程,无水乙醇催化剂蒸馏水,40,度恒温水浴磁力搅拌至恒定温度,加入,TEOS,40,度恒温水浴,磁力搅拌,4,小时,干燥,烧结,陈化,1,2,3,4,5,6,7,磁力搅拌溶胶凝胶合成反应示意图,1.,容器,2.,密封盖板,3.,反应溶液,4.,转动磁子,5.,磁力搅拌器加热板,6.,温度调节器,7.,转速调节器,前驱体,溶胶,纳米颗粒,纤维,湿凝胶,涂层、薄膜,气凝胶,多孔材料,干凝胶,致密块体,溶胶-凝胶法的应用简介,