無機(jī)非金屬材料

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,無機(jī)非金屬材料制備及應(yīng)用,材料,材料是指人類社會可接受、能經(jīng)濟(jì)地制造有用器件（或物體的）物質(zhì)。,材料的分類,材料,化學(xué)組成,使用功能,無機(jī)非金屬材料,金屬材料,有機(jī)高分子材料,復(fù)合材料,功能材料,結(jié)構(gòu)材料,信息材料,無機(jī)非金屬材料,是指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物和硅酸鹽、鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等含氧酸鹽為主要組成的無機(jī)材料。,傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料,陶瓷、玻璃、水泥,以含硅物質(zhì)為原料加熱制成,二氧化硅,二氧化硅又稱硅石，化學(xué)式,SiO,2,，自然界中存在有結(jié)晶二氧化硅和無定形二氧化硅兩

2、種，結(jié)晶二氧化硅因晶體結(jié)構(gòu)不同，分為石英，磷石英和方石英三種。純石英為無色晶體，自然界存在一般為無定形二氧化硅，為白色固體或粉末狀。,SiO,2,超微粉體為白色粉體，相對密度,為,2.319,-,2.653,g.cm,-3,，,熔點(diǎn),為,1750,，,無毒、無味、無污染。這種材料明顯顯現(xiàn)出絮狀或網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸小，比表面積大。Si,O,2,微粒由于其粒徑非常小，因而它所表現(xiàn)出來的小尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)使其具有與常規(guī)的塊體及粗顆粒材料不同的特殊特性。,超細(xì)二氧化硅粉體制備方法,物理方法：一般指機(jī)械粉碎法。利用超級氣流粉碎機(jī)或高能球磨機(jī)將二氧化硅的聚集體粉碎。但該方法工藝簡單，容易帶入

3、雜質(zhì)，制粉效率低且粒徑分布較寬。,化學(xué)方法,1,2,3,4,5,化學(xué)氣相法（CVD）,化學(xué)沉淀法,微乳液法,水熱合成法,溶膠-凝膠法（Sol-Gel）,化學(xué)氣相法,氣相法多以SiCl,4,為原料，采用SiCl,4,氣體在高溫氫氧氣流下水解制得煙霧狀的SiO,2,反應(yīng)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,化學(xué)沉淀法,通常用水玻璃和鹽酸或其他酸化劑，適時加入表面活性劑到反應(yīng)體系中，控制合適的合成溫度，將得到的沉淀用離心法分離洗滌，經(jīng)一定且合適的溫度干燥，最后高溫灼燒一定時間后得到白

4、色輕質(zhì)的SiO,2,粉末。,化學(xué)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,微乳液法是液相化學(xué)制備法中最新穎的一種。微乳液由表面活性劑、助表面活性劑、油、水組成，首先形成乳液，劑量小的溶劑被包裹在劑量大的溶劑中形成一個個微泡，微泡表面由表面活性劑組成，尺寸大小在,5,100nm,之間。在微泡中可成核生長、凝結(jié)、團(tuán)聚等，其過程局限于微小的球形內(nèi)，從而形成球形顆粒，且避免了顆粒之間進(jìn)一步團(tuán)聚，其反應(yīng)物大多是硅酸酯，如正硅酸乙酯,(TEOS),等,水熱合成法,水熱合成法是指在特制的密閉反應(yīng)容器（高壓釜）里

5、，采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，通過對反應(yīng)容器加熱，創(chuàng)造一個高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解。,水熱法制備SiO,2,通常是將正硅酸乙酯、蒸餾水的混合溶液放入反應(yīng)釜中，在一定溫度和壓力下均勻攪拌一定時間得到粉體。反應(yīng)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,將得到的沉淀過濾、洗滌、干燥則得到最終的SiO,2,粉體。,溶膠（Sol）,是具有液體特征的膠體體系，分散的粒子是固體或者大分子，分散的粒子大小在1100nm之間。,凝膠（Gel）,是具有固

6、體特征的膠體體系，被分散的物質(zhì)形成連續(xù)的網(wǎng)狀骨架，骨架空隙中充有液體或氣體，凝膠中分散相的含量很低，一般在13之間。,溶膠凝膠法,溶膠,無固定形狀,固相粒子自由運(yùn)動,凝膠,固定形狀,固相粒子按一定網(wǎng)架結(jié)構(gòu)固定不能自由移動,溶膠（,Sol,）是由孤立的細(xì)小粒子或大分子組成，分散在溶液中的膠體體系。,當(dāng)液相為水時稱為水溶膠（,Hydrosol,）,;,當(dāng)為醇時稱為醇溶膠（,alcosol,）。,凝膠（,Gel,）是一種由細(xì)小粒子聚集而成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的具有固態(tài)特征的膠態(tài)體系，凝膠中滲有連續(xù)的分散相介質(zhì)。,按分散相介質(zhì)不同可分為水凝膠（,Hydrogel,）、醇凝膠（,alcogel,）和氣凝膠（,a

7、erogel,）。,沉淀物（,precipitate,）由孤立粒子聚集體組成而區(qū)別于凝膠。,溶膠,-,凝膠法的原理,簡單的講，溶膠凝膠法就是用含高化學(xué)活性組分的化合物作前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化后，膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動性的溶劑。凝膠經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米結(jié)構(gòu)的材料。,溶膠-凝膠法一般可分為兩類，即無機(jī)鹽溶膠-凝膠法和金屬醇鹽水解法。,1.在無機(jī)鹽溶膠-凝膠法中，溶膠的制備是通過對無機(jī)鹽沉淀過程的控制，使生成的顆粒不團(tuán)聚成大顆粒而生成沉淀，直接得到溶膠且溶膠

8、的形成主要是通過無機(jī)鹽的水解來完成。,2.,金屬醇鹽水解法通常是以金屬有機(jī)醇鹽為原料，通過水解與縮聚反應(yīng)而制得溶膠。首先將金屬醇鹽溶入有機(jī)溶劑，加水則會發(fā)生如下反應(yīng)。,水解反應(yīng),金屬醇鹽,M(OR),n,(n為金屬M(fèi) 的化合價)與水反應(yīng)為：,M(OR),n,+xH,2,OM(OH),x,(OR),n-x,+xROH,縮聚反應(yīng),失水縮聚 一MOH+OHM一MOM一+H,2,O,失醇縮聚 一MOR+OHM一MOM一+ROH,溶解,前驅(qū)體,溶液,溶膠,凝膠,凝膠,水解,縮聚,陳化,具體粉體制備,最后將得到的凝膠干燥、煅燒得到,SiO,2,粉體,原理：,操作流程,無水乙醇催化劑蒸餾水,40,度恒溫水浴磁力攪拌至恒定溫度,加入,TEOS,40,度恒溫水浴,磁力攪拌,4,小時,干燥,燒結(jié),陳化,1,2,3,4,5,6,7,磁力攪拌溶膠凝膠合成反應(yīng)示意圖,1.,容器,2.,密封蓋板,3.,反應(yīng)溶液,4.,轉(zhuǎn)動磁子,5.,磁力攪拌器加熱板,6.,溫度調(diào)節(jié)器,7.,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,前驅(qū)體,溶膠,納米顆粒,纖維,濕凝膠,涂層、薄膜,氣凝膠,多孔材料,干凝膠,致密塊體,溶膠-凝膠法的應(yīng)用簡介,