内容发布更新时间 : 2024/11/7 18:30:38星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

溶胶-凝胶法制备钛酸钡纳米粉体

一、前言

溶胶—凝胶技术是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成氧化物或其他化合物固体的方法。该法历史可追溯到19世纪中叶，Ebelman发现正硅酸乙酯水解形成的SiO2呈玻璃状，随后Graham研究发现SiO2凝胶中的水可以被有机溶剂置换，此现象引起化学家注意。经过长时间探索，逐渐形成胶体化学学科。在20世纪30年代至70年代矿物学家、陶瓷学家、玻璃学家分别通过溶胶—凝胶方法制备出相图研究中均质试样，低温下制备出透明PLZT陶瓷和Pyrex耐热玻璃。核化学家也利用此法制备核燃料，避免了危险粉尘的产生。这阶段把胶体化学原理应用到制备无机材料获得初步成功，引起人们的重视，认识到该法与传统烧结、熔融等物理方法不同，引出“通过化学途径制备优良陶瓷”的概念，并称该法为化学合成法或SSG法(Solution-sol-gel)。另外该法在制备材料初期就进行控制，使均匀性可达到亚微米级、纳米级甚至分子级水平，也就是说在材料制造早期就着手控制材料的微观结构，而引出“超微结构工艺过程”的概念，进而认识到利用此法可对材料性能进行剪裁。溶胶凝胶法不仅可用于制备微粉。而且可用于制备薄膜、纤维、体材和复合材料。其优缺点如下：①高纯度 粉料(特别是多组分粉料)制备过程中无需机械混合，不易引进杂质；②化学均匀性好 由于溶胶—凝胶过程中，溶胶由溶液制得，化合物

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在分子级水平混合，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致；②颗粒细 胶粒尺寸小于0.1μm；④该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分 不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液中，经溶胶凝化，不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中，不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好；⑤掺杂分布均匀 可溶性微量掺杂组分分布均匀，不会分离、偏折，比醇盐水解法优越：⑥合成温度低，成分容易控制；⑦粉末活性高；⑧工艺、设备简单，但原材料价格昂贵：⑨烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低，但凝胶颗粒之间烧结性差，即体材料烧结性不好；⑩干燥时收缩大。

钛酸钡(BaTiO3)具有良好的介电性，是电子陶瓷领域应用最广的材料之一。传统的BaTiO3制备方法是固相合成，这种方法生成的粉末颗粒粗且硬，不能满足高科技应用的要求。现代科技要求陶瓷粉体具有高纯、超细、粒径分布窄等特性，纳米材料与粗晶材料相比在物理和机械性能方面有极大的差别。由于颗粒尺寸减小引起材料物理性能的变化主要表现在：熔点降低，烧结温度降低、荧光谱峰向低波长移动、铁电和铁磁性能消失、电导增强等。溶液化学法是制备超细粉体的一种重要方法，其中以溶胶－凝胶法最为常用。 二、实验原理:

以钛酸丁酯和氢氧化钡为原料，乙二醇甲醚和甲醇为溶剂，采用溶胶-凝胶法制备钛酸钡粉体。

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钛的阴离子与钡离子发生中和反应，经聚合生成Ba2+Ti(OH)62-络离子。Ba2+Ti(OH) 62-络离子被溶剂生成的有机物长链分割包围着，在随后的干凝胶煅烧过程中，有机物长链分解，使Ba2+Ti (OH)62-络离子在高温下分解，制得纳米粉体。

能电离的前驱体-金属盐的阳离子Mz+吸引水分子形成溶剂单元M（H2O）nz+(z为M离子的价数），具有保持它的配位数而强烈的释放H+的趋势：

M(H2O)nz+ M(H2O)n-1 (OH)(z-1) + H+

水解反应：非电离式分子前驱体，如金属盐M(OR)n (n为金属离子M的原子价）与水的反应。

M(OR)n + H2O M(OH)n-1(OR)n-x +xROH 缩聚反应(分两步):

失水反应：M-OH + HO-M M-O-M +H2O 失醇反应：M-OR +RO-M M-O -M + ROH 三、工艺流程： 氢氧化钡的乙二醇溶液 钛酸丁酯的甲醇溶液 溶胶 凝胶 干凝胶 煅烧 球磨 粉体 反应式：

Ti (OR) 4 + 4H2O +Ba2 ++ 2OH- Ba2 [ Ti (OH) 6 ]2 + 4ROH

高温脱水 四、实验过程： BaTiO3

将7.5g的氢氧化钡溶入30ml的乙二醇甲醚中，充分振荡使之形

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