實驗 九 溶膠凝膠制備鈦酸鈣陶瓷粉體

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1、實驗九溶膠－凝膠法制備納米CaTiO3粉體一、實驗?zāi)康募耙饬x鈦酸鈣（CaTiO3）陶瓷材料是目前國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的電子陶瓷原料之一,由于其具有高的介電常數(shù),良好的鐵電、壓電、耐壓及絕緣性能,主要用于制作高電容電容器、多層基片、各種傳感器、半導體材料和敏感元件。近年來,隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,對鈦酸鋇電子陶瓷材料提出了更高的要求。這些都需要組分均勻，粒徑可控、分散性好、可結(jié)晶性的高純鈦酸鋇粉體材料。本實驗利用溶膠－凝膠法制備鈦酸鋇粉體材料，通過本實驗達到以下目的：1.掌握溶膠－凝膠法合成粉體材料的基本原理；2.掌握粉體粒度分析測試的基本方法。二、實驗原理材料性能的改進和完

2、善以及新材料的開發(fā)，要求對材料制備的超結(jié)構(gòu)過程加以控制，化學越來越深入地卷入無機非金屬材料的設(shè)計和過程控制中。在所有化學手段中，溶膠-凝膠（sol-gel）過程是占壓倒性多數(shù)的主題。這一過程把眾多材料的制備納入一個統(tǒng)一的過程之中，過去獨立的玻璃、陶瓷、纖維和薄膜技術(shù)都成為溶膠-凝膠學科的一個應(yīng)用分支。溶膠是指微小的有一定結(jié)構(gòu)的固體顆粒懸浮分散在液相中，并不停地發(fā)生布朗運動的亞穩(wěn)態(tài)液狀體系。這些有一定結(jié)構(gòu)的固體顆粒成為膠粒。膠粒的結(jié)構(gòu)和形態(tài)由于膠粒間的相互作用，可能隨時處在變化之中。由于膠粒是熱力學不穩(wěn)定體系，膠粒趨向于發(fā)生凝聚或聚合。穩(wěn)定溶膠中的粒子大小通常在1-5n

3、m，因此有較大的表面積。凝膠是指膠體顆?；蚋呔畚锓肿酉嗷ソ宦?lián)，空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，最終使得溶膠液逐步失去流動性，成為一種粒子呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中充滿液體的非流動半固態(tài)的分散體系。凝膠在干燥后形成干凝膠或氣凝膠，這時，它是一種充滿空隙的結(jié)構(gòu)。溶膠-凝膠法制備材料的核心就是通過溶膠化這種濕化學法，將物質(zhì)通過形成溶膠，再經(jīng)過凝膠、固化處理等過程形成最終產(chǎn)品。溶膠-凝膠法法制備材料的過程基本上可以分為溶液到溶膠、凝膠化到成型和固化處理等三個階段。第一個階段中，膠液的獲得方法通常有三種：（1）超細粉和溶液機械混合形成膠液；（2）金屬無機化合物或金屬醇鹽水解：（3）金屬有機化合物

4、水解。工藝過程就是將前驅(qū)體可溶性鹽和溶劑以及催化劑溶膠劑等混在一起，通過水解縮聚等形成溶膠，溶膠再通過陳化、涂層、成纖、成型等手段成為濕凝膠，濕凝膠通過干燥變?yōu)楦赡z，最后通過熱處理形成最終產(chǎn)物。溶膠-凝膠法具有下列特點：自從1971年Dislich首次通過溶膠-凝膠工藝制備出多元氧化物固體材料以后，溶膠-凝膠工藝已越來越受到人們的親睞。與其它一些傳統(tǒng)的無機材料制備工藝相比，溶膠-凝膠工藝具有許多優(yōu)點：首先，它的工藝過程溫度低，在玻璃和陶瓷方面，可以制得一些傳統(tǒng)方法難以得到或根本得不到的材料；而且工藝溫度的大大降低也使得材料制備過程易于控制。其次，由于溶膠-凝膠工藝是

5、由溶液反應(yīng)開始的，從而所制備的材料非常均勻，這對于控制材料的物理性能及化學性能至關(guān)重要。通過計算反應(yīng)物的成分配比可以嚴格控制產(chǎn)物材料的成分，這對于一些電子陶瓷材料來說非常重要。此外溶膠-凝膠工藝制備的產(chǎn)物純度較高。原理：溶膠-凝膠方法是濕化學反應(yīng)方法之一,不論所用的起始原料(稱為前驅(qū)物)為無機鹽或金屬醇鹽,其主要反應(yīng)步驟是前驅(qū)物溶于溶劑(水或有機溶劑)中形成均勻的溶液,溶質(zhì)與溶劑產(chǎn)生水解或醇解反應(yīng)生成聚集成1nm左右的粒子并組成溶膠,經(jīng)蒸發(fā)干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z,基本反應(yīng)原理如下:(1)溶劑化:能電離的前驅(qū)物-金屬鹽的金屬陽離子MZ+將吸引水分子形成溶劑單元M(H2O)(Z為

6、M離子的價數(shù)),為保持它的配位數(shù)而強烈地釋放H+的趨勢。M(H2O)nZ+M(H2O)n-1（OH）（Z-1）+H+這時如有其它離子進入就可能產(chǎn)生聚合反應(yīng)，但反應(yīng)極為復雜。(2)水解反應(yīng)：非電離式分子前驅(qū)物，如金屬醇鹽M（OR）n（n為金屬M的原子價）與水反應(yīng)：M(OR)n+xH2OM(OH)x(OR)n-x+xROH反應(yīng)可延續(xù)進行，直至生成M(OH)n。—M—OH+HO—M—M—O—M+H2O(3)縮聚反應(yīng):縮聚反應(yīng)可分為失水縮聚:—M—OH+HO—M—M—O—M+ROH和失醇縮聚：反應(yīng)生成物是各種尺寸和結(jié)構(gòu)的溶膠體粒子。（4）冰乙酸在本實驗中的作用乙酸與鈦酸丁酯發(fā)

7、生如下的化學反應(yīng)：這一反應(yīng)的結(jié)果是乙酸根部分取代了丁烷氧基（或者是乙羰基R1取代丁烷基R），使得Ti4+變成了與丁烷氧基和乙羧基的二配位復合體。上述反應(yīng)也表明Ti－OR1鍵較Ti－OR鍵更穩(wěn)定，水解過程中OH-只能取代OR-，由于中Ti－OR鍵相對減少，從而減緩水解的速率致使溶液趨于穩(wěn)定。從這個角度講，乙酸又是一種穩(wěn)定劑。一、實驗試劑與儀器1.實驗試劑：硝酸鈣（分析純）、冰乙酸、（分析純）、鈦酸丁酯（分析純）、無水乙醇（分析純）、濃硝酸（65%-68%）、PEG10002.實驗儀器：電子天平，量杯，磁力攪拌器，干燥箱，坩堝，馬弗爐，燒杯，等。二、實驗