梁艳
辽宁公安司法管理干部学院 辽宁沈阳 110161
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(So1-Gel)作为一种制备材料的低温湿化学合成法，由于具有制品纯度高、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]。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：
2.1 水解反应：
M(OR)n＋xH2O→M(OH)x(OR)n-x+xROH （1）
2.2 聚合反应：
M-OH＋HO-M→M-O-M＋H2O （2）
M-OR+HO-M→M-O-M+ROH（3）
2.3 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－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，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
溶胶-凝胶法制备羟基磷灰石(HA)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―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。
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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SiO2-P2O5凝胶[9]。Dela Rosa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]等在氧氯化锆水解聚合形成溶胶、凝胶的反应过程中加入一定功率、一定次数的超声场，使氢氧化锆湿凝胶更加细腻、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,可降低氢氧化锆胶粒形核的临界吉布斯自由能变ΔG*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中。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。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%,凝胶化温度60~70℃,烧结温度在1250℃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英陶瓷材料的烧结有着明显的作用,在达到相同密度的情况下,烧结温度可下降50~100℃,烧结后材料的密度可达到2.1g/cm3,抗折强度也有了明显的提高。他认为在预混液中纳米相白炭黑具有很强的分散性,并随液相载体流动均匀包裹在微米级熔融石英颗粒的表面;另一方面，因高固相及原位凝固的特点,避免了泥浆浇注法料浆颗粒的偏析和分层现象。
采用溶胶-凝胶法,以粒径为30nm的SiC粉末为原料,真空烧结得到密度较高的SiC/Al2O3纳米复合材料。实验表明,采用溶胶-凝胶法,可以使大部分纳米SiC颗粒均匀分布在Al2O3晶粒内,制备出“晶内/晶间型”的纳米复合材料；SiC纳米颗粒的加入抑制了氧化物基体晶粒的明显长大；SiC纳米粒子的掺入引起穿晶断裂,提高了陶瓷材料的韧性。
3.3功能陶瓷材料
功能陶瓷的研究在性能上正朝着高效能、高可靠性、低损耗、多功能、超高功能以及智能化方向发展。在设备技术方面向着多层、多相乃至超微细结构的调控与复合、低温活化烧结、超细超纯等方向发展，在材料及应用的主要研究方向包括智能化敏感陶瓷及其传感器，具有高转换率、高可靠性、低损耗、大功率的压电陶瓷及其换能器；超高速大容量的超导计算机用光纤陶瓷材料；多层封装立体布线用的高导热、低介电常数陶瓷基板材料；量大面广、低烧、高比容、高稳定性的多层陶瓷电容器材料等。目前，许多研究者用溶胶-凝胶法制备功能陶瓷材料取得了一些良好的结果。
总之，溶胶-凝胶法制备功能陶瓷虽然取得了一些可喜的结果，但与所要求的预期目标还存在着一定差距，结果还不是太理想，反应机理不是太明确，理论不系统。
4 结束语
虽然目前溶胶凝胶法制备陶瓷材料与预期目标存在一定的差距，但是溶胶-凝胶法及其改进工艺制备陶瓷材料已经显示出巨大的潜力。在不久的将来，溶胶凝胶法制备新材料，将逐步走向科学化、理论化、系统化，并最终走向实用化，给人类社会带来巨大的利益。
参考文献：
[1]Dalin Li，Yoshinao Nakagawa，Keiichi Tomishige.Methane reforming to synthesis gas over Ni catalysts modified with noble metals[J].Applied Catalysis A：General，2016（48）：1-24.
[2]黄传真，艾兴，侯志刚，等.溶胶- 凝胶法的研究和应用现状.材料导报， 2017， 11（ 3） ： 8
[3]郭大勇，储成林，林萍华，等. 柠檬酸对溶胶-凝胶法制备羟基磷灰石粉体的影响[J].东南大学学报（自然科学版）， 20016，32（3）：1-4.
论文作者:梁艳
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/26
标签：溶胶论文; 凝胶论文; 均匀论文; 法制论文; 陶瓷材料论文; 纳米论文; 陶瓷论文; 《防护工程》2018年第15期论文;