1、第四章 溶胶 -凝胶法制备块体材料 体积材料： 一般是指厚度超过 1mm的材料 。MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃 ：具有低的介电常数、低的热膨胀系数、高的力学强度和良好的电绝缘性能等 被认为是很有发展前景的介电材料 广泛应用于电力电子工业领域，如用于制造各种类型的电路板、绝缘体、电容器、滤波器和混频器等。 在 Sol-Gel法的全过程：如下图溶胶 -凝胶全过程及产品开发示意图所示金属醇盐、溶剂、水以及催化剂组成均相溶液，由水解缩聚而形成均相溶胶；进一步陈化成为湿凝胶 ；经过蒸发除去溶剂或蒸发分别得到气凝胶 或干凝胶 ，后者经烧结得到致密的陶瓷体 。同时，均相溶胶可以在不同衬底上涂膜 ，
2、经过焙烧等热处理得到均匀致密的薄膜 ；也可以拉丝，得到玻璃纤维 ；以及均相溶胶经不同方式处理得到粉体 。溶胶 凝胶干凝胶块烧结体积材料注模 陈化 干燥脱水制备块体材料的典型溶胶 -凝胶工艺流程一、溶胶 -凝胶法制备 SiO2玻璃 （一）前驱体溶液的制备 1.主要有两种方法：（ 1）是将 Si(OC2H5)4(简称 TEOS)、 C2H5OH、和 HCl等混合，在一定温度下强烈搅拌，即可以制备溶胶。其（ 2）是将 Si(OC2H5)4， C2H5OH（或者 CH3OH），(CH3)2NCHO（ N， N二甲基甲酰胺，简称 DMF），NH4H2O(氨水 )和水进行混合，摩尔比例为：TEOS/H2O
3、/CH3OH/ DMF/NH4H2O=1.0:10:2.2:1.0:3.710-4。然后充分搅拌后，可以制得溶胶。制备溶胶后，将上述溶液放入内径 40mm，长 250mm的用聚甲基戊烯制备的试管中密封，于 35 的干燥器中放置。这一过程也叫注模。该过程发生的主要反应如下所示。（二）溶液的凝胶化转变 1.凝胶化转变过程与凝胶结构将上述溶胶在 48小时内加热使温度由 35 升到80 ，会得到柔软湿润的凝胶体。该过程的主要反应如下：缩合反应： Si(OC2H5)4C2H5OHH2OHCl图 5-3 Si凝胶的三维网络结构示意图在凝胶点不但粘度急速增加，而且随着胶凝从 本质 上以一种特殊的高分子结构凝
4、固。在凝胶点的胶凝可以看作是一个快速的固化过程。 “凝固 ”结构 随着时间、温度、溶剂和 PH值等条件的改变而有明显的改变。 2.凝胶化转变的影响因素 胶凝时间 :薄膜和纤维材料 块体材料 （ 1） pH值对凝胶化转变时间的影响图 5-4体系 pH与胶凝时间的关系曲线（ 2） TEOS浓度对凝胶化转变时间的影响图 5-5 硅酸乙酯浓度与体系胶凝时间的关系曲线 图 5-6 体系温度与体系胶凝时间的关系曲线（ 3）体系温度对凝胶化转变时间的影响(三 )润湿凝胶体的干燥1.传统干燥工艺（ 1）工艺： 将试样放入干燥容器中加盖，盖上有 1mm厚度的用聚甲基戊烯制备的微孔的盖子。于 80 保温120小时，然后用 96小时连续升温到 150 ，保温 24小时。（ 2）干燥初期： 凝胶结构中还含有大量的结合水（如图 5-7所示）。注意： 干燥过程中一定要注意干燥升温速度。一般来说，速度太快容易导致制品的开裂。采用分阶段干燥制度的目的也是为了防止凝胶在干燥过程开裂，使水和 DMF依次排除。图 5-7干燥第一阶段凝胶表面的结构示意图结合水空隙硅网络在干燥过程中液体被从相互连通的网络孔径中除去。当孔径小于 20nm时，干燥会产生很大的毛细压力。 可以导致凝胶的龟裂。降低表面张力与接触角均可以有效降低毛细管压力（加入一些表面活性剂物质来实现）。
