《无机非金属材料》PPT课件.ppt

无机非金属材料无机非金属材料制备及应用制备及应用材料材料v材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件（或物体的）物质。材料的分类材料的分类材料化学组成使用功能无机非金属材料无机非金属材料金属材料金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料功能材料功能材料结构材料结构材料信息材料信息材料无机非金属材料无机非金属材料 是指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、是指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物和硅酸盐、钛酸盐、铝硼化物、硫系化合物和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。材料。vv传统无机非金属材料传统无机非金属材料 陶瓷、玻璃、水泥陶瓷、玻璃、水泥 以含硅物质为原料加热制成以含硅物质为原料加热制成二氧化硅二氧化硅二氧化硅又称硅石，化学式二氧化硅又称硅石，化学式SiO2，自然界中存在有结晶二氧化，自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种，结晶二氧化硅因晶体结构不同，分硅和无定形二氧化硅两种，结晶二氧化硅因晶体结构不同，分为石英，磷石英和方石英三种。纯石英为无色晶体，自然界存为石英，磷石英和方石英三种。纯石英为无色晶体，自然界存在一般为无定形二氧化硅，为白色固体或粉末状。在一般为无定形二氧化硅，为白色固体或粉末状。SiO2超微粉体超微粉体为为白色粉体，相白色粉体，相对对密度密度为为-3-3，熔点熔点为为1750，无毒、无味、无无毒、无味、无污污染。染。这这种材料明种材料明显显现显显现出出絮状或网状的准絮状或网状的准颗颗粒粒结结构，构，颗颗粒尺寸小，比表面粒尺寸小，比表面积积大。大。SiO O2微粒由于其粒径非常小，因而它所表微粒由于其粒径非常小，因而它所表现现出来的小出来的小尺寸效尺寸效应应和表面界面效和表面界面效应应使其具有与常使其具有与常规规的的块块体及粗体及粗颗颗粒材料不同的特殊特性。粒材料不同的特殊特性。超细二氧化硅粉体制备方法v物理方法：一般指机械粉碎法。利用超级气流粉物理方法：一般指机械粉碎法。利用超级气流粉碎机或高能球磨机将二氧化硅的聚集体粉碎。但碎机或高能球磨机将二氧化硅的聚集体粉碎。但该方法工艺简单，容易带入杂质，制粉效率低且该方法工艺简单，容易带入杂质，制粉效率低且粒径分布较宽。粒径分布较宽。化学方法化学气相法（化学气相法（CVD）化学沉淀法化学沉淀法微乳液法微乳液法水热合成法水热合成法溶胶溶胶-凝胶法（凝胶法（Sol-Gel）化学气相法v气相法多以气相法多以SiCl4为原料，采用为原料，采用SiCl4气气体在高温氢氧气流下水解制得烟雾状的体在高温氢氧气流下水解制得烟雾状的SiO2v反应方程式：反应方程式：2H2+O22H2O SiCl4+2H2OSiO2+4HCl 2H2+O2+SiCl4SiO2+4HCl化学沉淀法v通常用水玻璃和盐酸或其他酸化剂，适时加入表面通常用水玻璃和盐酸或其他酸化剂，适时加入表面活性剂到反应体系中，控制合适的合成温度，将得活性剂到反应体系中，控制合适的合成温度，将得到的沉淀用离心法分离洗涤，经一定且合适的温度到的沉淀用离心法分离洗涤，经一定且合适的温度干燥，最后高温灼烧一定时间后得到白色轻质的干燥，最后高温灼烧一定时间后得到白色轻质的SiO2粉末。粉末。v化学方程式：化学方程式：Na2SiO3+HClxSiO2yH2O+NaCl xSiO2yH2OSiO2+H2O 微乳液法v微乳液法是液相化学制备法中最新颖的一种。微乳微乳液法是液相化学制备法中最新颖的一种。微乳液由表面活性剂、助表面活性剂、油、水组成，首液由表面活性剂、助表面活性剂、油、水组成，首先形成乳液，剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂先形成乳液，剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂中形成一个个微泡，微泡表面由表面活性剂组成，中形成一个个微泡，微泡表面由表面活性剂组成，尺寸大小在尺寸大小在5100nm之间。在微泡中可成核生长、之间。在微泡中可成核生长、凝结、团聚等，其过程局限于微小的球形内，从而凝结、团聚等，其过程局限于微小的球形内，从而形成球形颗粒，且避免了颗粒之间进一步团聚，其形成球形颗粒，且避免了颗粒之间进一步团聚，其反应物大多是硅酸酯，如正硅酸乙酯反应物大多是硅酸酯，如正硅酸乙酯(TEOS)等等水热合成法v水热合成法是指在特制的密闭反应容器（高压釜）水热合成法是指在特制的密闭反应容器（高压釜）里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解。难溶或不溶的物质溶解。v水热法制备水热法制备SiO2通常是将正硅酸乙酯、蒸馏水的混合溶液放通常是将正硅酸乙酯、蒸馏水的混合溶液放入反应釜中，在一定温度和压力下均匀搅拌一定时间得到粉入反应釜中，在一定温度和压力下均匀搅拌一定时间得到粉体。反应的方程式如下：体。反应的方程式如下：5Si(OC2H5)4+H2OSi5O4(OH)+12C2H5OH Si5O4(OH)125SiO2+6H2O 将得到的沉淀过滤、洗涤、干燥则得到最终的将得到的沉淀过滤、洗涤、干燥则得到最终的SiO2粉体。粉体。v溶胶（溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在体或者大分子，分散的粒子大小在1100nm之间。之间。v凝胶（凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在分散相的含量很低，一般在13之间。之间。溶胶凝胶法溶溶胶胶无固定无固定形状形状固相粒子自由运动固相粒子自由运动凝凝胶胶固定形固定形状状固相粒子按一定网架结构固定不固相粒子按一定网架结构固定不能自由移动能自由移动 溶胶（溶胶（Sol）是由孤立的细小）是由孤立的细小粒子或大分子组成，分散在溶液粒子或大分子组成，分散在溶液中的胶体体系。中的胶体体系。当液相为水时称为水溶胶当液相为水时称为水溶胶（Hydrosol）;当为醇时称为醇当为醇时称为醇溶胶（溶胶（alcosol）。）。凝胶（凝胶（Gel）是一种由细小）是一种由细小粒子聚集而成三维网状结构的具粒子聚集而成三维网状结构的具有固态特征的胶态体系，凝胶中有固态特征的胶态体系，凝胶中渗有连续的分散相介质。渗有连续的分散相介质。按分散相介质不同可分为水按分散相介质不同可分为水凝胶（凝胶（Hydrogel）、醇凝胶）、醇凝胶（alcogel）和气凝胶）和气凝胶（aerogel）。）。沉淀物（沉淀物（precipitate）由）由孤立粒子聚集体组成而区别于孤立粒子聚集体组成而区别于凝胶。凝胶。溶胶溶胶-凝胶法的原理凝胶法的原理 简单的讲，溶胶凝胶法就是用含高化学活性组分简单的讲，溶胶凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化后，胶粒间缓慢聚合，透明溶胶体系，溶胶经陈化后，胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂。凝胶经过干燥、烧结固化制备失去流动性的溶剂。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米结构的材料。出分子乃至纳米结构的材料。v溶胶溶胶-凝胶法一般可分为两类，即无机盐溶胶凝胶法一般可分为两类，即无机盐溶胶-凝胶凝胶法和金属醇盐水解法。法和金属醇盐水解法。1.在无机盐溶胶在无机盐溶胶-凝胶法中，溶胶的制备是通过对凝胶法中，溶胶的制备是通过对无机盐沉淀过程的控制，使生成的颗粒不团聚成大无机盐沉淀过程的控制，使生成的颗粒不团聚成大颗粒而生成沉淀，直接得到溶胶且溶胶的形成主要颗粒而生成沉淀，直接得到溶胶且溶胶的形成主要是通过无机盐的水解来完成。是通过无机盐的水解来完成。2.金属醇盐水解法通常是以金属有机醇盐为原料，通金属醇盐水解法通常是以金属有机醇盐为原料，通过水解与缩聚反应而制得溶胶。首先将金属醇盐溶过水解与缩聚反应而制得溶胶。首先将金属醇盐溶入有机溶剂，加水则会发生如下反应。入有机溶剂，加水则会发生如下反应。水解反应水解反应金属醇盐金属醇盐M(OR)n(n为金属为金属M 的化合价的化合价)与水反应为：与水反应为：M(OR)n+xH2OM(OH)x(OR)n-x+xROH 缩聚反应缩聚反应失水缩聚失水缩聚 一一MOH+OHM一一MOM一一+H2O 失醇缩聚失醇缩聚 一一MOR+OHM一一MOM一一+ROH 溶解溶解前驱体前驱体溶液溶液溶胶溶胶凝胶凝胶凝胶凝胶水解水解缩聚缩聚陈化陈化具体粉体制备 最后将得到的凝胶干燥、煅烧得到最后将得到的凝胶干燥、煅烧得到SiOSiO2 2粉体粉体原理：原理：操作流程无无水水乙乙醇醇催催化化剂剂蒸蒸馏馏水水40度恒温度恒温水浴磁力水浴磁力搅拌至恒搅拌至恒定温度定温度加入加入TEOS40度恒温水浴度恒温水浴磁力搅拌磁力搅拌4小时小时干燥干燥烧结烧结陈化陈化1234567磁力搅拌溶胶凝胶合成反应示意图磁力搅拌溶胶凝胶合成反应示意图1.1.容器容器 2.2.密封盖板密封盖板 3.3.反应溶液反应溶液 4.4.转动磁子转动磁子5.5.磁力搅拌器加热板磁力搅拌器加热板 6.6.温度调节器温度调节器 7.7.转速调节器转速调节器 前驱体前驱体溶胶溶胶纳米颗粒纳米颗粒纤维纤维湿凝胶湿凝胶涂层、薄膜涂层、薄膜气凝胶气凝胶多孔材料多孔材料干凝胶干凝胶致密块体致密块体溶胶-凝胶法的应用简介