二氧化硅溶胶凝胶法用水量催化剂烧结温度.docx

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二氧化硅溶胶凝胶法用水量催化剂烧结温度

第一章绪论

1.1引言

SiO2超微粉体是一种轻质的白色非金属材料，其颗粒表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基，且分子状态是三维链状结构。

它具有许多独特的性质：

例如量子尺寸效应、量子隧道效应、光电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象以及高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等特性。

这些独特的性质使它具有抗紫外线，吸附色素离子，提高材料的强度、弹性、抗老化、耐化学腐蚀等性能，可广泛应用于催化剂载体、高分子复合材料、电子封装材料、精密陶瓷材料、橡胶、造纸、塑料、粘结剂、高档填料、涂料、光导纤维、精密铸造等产品中[1]。

目前，SiO2超微粉体主要制备方法有以硅烷卤化物为原料的气相法，以硅酸钠和无机酸为原料的化学沉淀法，以及以硅酸酯等为原料的溶胶-凝胶法和微乳液法。

在这些方法中，气相法原料昂贵，设备要求高，生产流程长，能耗大；化学沉淀法制备粉体容易产生硬团聚，从而影响粉体的性能；微乳液法成本高、有机物难以去除，易对环境造成污染[2]。

与上述三种方法相比，溶胶-凝胶法具有许多优点：

（1）较低的反应温度，一般为室温或稍高温度，大多数有机活性分子可以引入此体系中并保持其物理性质和化学性质；

（2）反应从溶液开始，各组分的比例易得到控制，且达到分子水平上的均匀；（3）不涉及高温反应，能避免杂质的引入，可保证最终产品的纯度；（4）可根据需要，在反应的不同阶段，制取薄膜、纤维或块状等功能材料[3]。

本文以正硅酸乙酯为硅源，无水乙醇为溶剂，加入去离子水和一定比例的催化剂，通过溶胶-凝胶法研究了反应的初始条件对SiO2超微粉体性能的影响。

1.2SiO2粉体的结构与性质

1.2.1SiO2的结构[3]

SiO2在常压下有7种变体，这些变体之间的转变一般分为两类：

第一类是α型、β型、γ型之间的转变，这类转变发生在确定的温度下，转变快，而且可逆，称之为快转变；第二类是石英、磷石英、方石英之间的转变，它必须破坏原有的晶体结构，重新组成新的结构，需要的活化能大，转变温度高而且速度缓慢，称为慢转变。

如果只考虑在常压下，石英的变体可以表达如图1.1所示。

图1.1SiO2及其变体的晶型转变

Fig1.1ThephasetransitionofSiO2anditsvariants

能量的变化是由质点的次近邻配位变化引起的，纵向之间的转变，其晶体结构中没有发生旧键的断裂和新键的重建，只是键角做相应的调整，这种转变没有激活能势垒，转变迅速且可逆，称之为位移型转变或高低温转变。

横向之间的转变则不然，要涉及次近邻配位的完全变化，即必须破坏旧的化学键、重建新的化学键，这种转变需要跨越一定的势垒，转变过程缓慢，且高温相可以冷却到转变温度以下而以热力学亚稳态存在，称之为重建型转变，该转变由于发生了键的重组，所以转变过程中，体积变化比较大。

对位移型转变，体积变化则相对要小得多。

表1.1给出石英晶型转变时的体积变化。

从表中可以看出，方石英的体积变化最大（2.8%，体积分数，下同），石英次之（0.82%），磷石英最小（0.2%）。

但因为这些转变无需热激活的扩散，所以转变迅速且很难抑制。

表1.1石英晶型转变时的体积变化

TABLE1.1Volumechangeduringcrystaltransformation

重建型转变

体积效应（体积分数）/%

位移型转变

体积效应（体积分数）/%

α-石英→α-磷石英

＋16.0

β-石英→α-石英

＋0.82

α-石英→α-方石英

＋15.4

β-磷石英→α-磷石英

＋0.2

α-石英→石英玻璃

＋15.5

β-方石英→α-方石英

＋2.8

石英玻璃→α-方石英

－0.9

γ-磷石英→β-磷石英

＋0.2

1.2.2SiO2超微粉体的性质

SiO2超微粉体为白色粉体，也称为白炭黑，相对密度为2.319-2.653g.cm-3，熔点为1750℃，原始粒径在0.3μm以下，吸潮后形成聚合细颗粒，无毒、无味、无污染。

经透射电子显微镜测试分析，这种材料明显显现出絮状或网状的准颗粒结构，颗粒尺寸小，比表面积大。

SiO2微粒由于其粒径非常小，因而它所表现出来的小尺寸效应和表面界面效应使其具有与常规的块体及粗颗粒材料不同的特殊特性。

SiO2超微粉体的体积效应和量子隧道效应使其产生渗透作用，可深入到高分子化合物的分子链当中，形成空间网状结构，从而可以大幅度提高高分子材料的力学强度、韧性、耐磨性和耐老化性等。

因而，人们常利用SiO2超微粉体的这些特殊结构和性能对塑料及涂料进行改性或制备有机SiO2复合材料，提高有机高分子材料的综合性能[4]。

1.3SiO2超微粉体的应用现状[5,6]

SiO2超微粉体具有特殊的结构层次，通常只有在高倍电子显微镜下才能观察到其颗粒形态。

由于SiO2超微粉体的量子尺寸效应、量子隧道效应、光电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象以及高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等特性，使SiO2超微粉体可广泛应用于许多领域。

（1）在树脂复合材料中的应用

树脂基复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，但近年来材料界和国民经济支柱产业对树脂基材料使用性能的要求越来越高，如何合成高性能的树脂基复合材料，已成为当前材料界和企业界的重要课题。

SiO2超微粉体的问世，为树脂基复合材料的合成提供了新的机遇，为传统树脂基材料的改性提供了一条新的途径，只要能将SiO2超微颗粒充分、均匀地分散到树脂材料中，就能达到全面改善树脂基材料性能的目的。

1、提高强度和延伸率。

环氧树脂是基本的树脂材料，把SiO2粉体添加到环氧树脂中，其中SiO2超微粉体在结构上完全不同于粗晶SiO2，粗晶SiO2一般作为补强剂加入，它主要分布在高分子材料的链中间，而SiO2超微粉体由于表面严重的配位不足、庞大的比表面积以及表面欠氧等特点，使它表现出极强的活性，很容易和环氧环状分子的氧起键合作用，提高了分子间的键力，同时有一部分SiO2超微颗粒分布在高分子链的空隙中，与粗晶SiO2颗粒相比较，表现很高的流链性，从而使SiO2超微粉体添加的环氧树脂材料强度、韧性、延展性均大幅度提高。

2、提高耐磨性和改善材料表面的光洁度。

将SiO2超微粉体添加到环氧树脂中，有利于拉成丝。

由于SiO2超微粉体的高流动性和小尺寸效应，使材料表面更加致密细洁，摩擦系数变小，加之SiO2超微颗粒的高强度，使材料的耐磨性大大增强。

3、抗老化性能。

环氧树脂基复合材料使用过程中一个致命的弱点是抗老化性能差，其原因主要是太阳辐射波长中280-400nm波段的紫外线对树脂基复合材料的破坏作用十分严重，高分子链的降解致使树脂基复合材料迅速老化，而SiO2超微粉体可以强烈地反射紫外线，加入到环氧树脂中可大大减少紫外线对环氧树脂的降解作用，从而达到延缓材料老化的目的。

（2）在涂料中的应用

SiO2超微粉体具有常规SiO2所不具有的特殊光学性能，它具有极强的紫外吸收，红外反射特性。

经分光光度仪测试表明，它对波长400nm以内的紫外光吸收率高达70％以上，对波长760nm以外的红外光反射率也达70％以上。

它添加到涂料中能对涂料形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和热老化的目的，同时增加了涂料的隔热性。

通过微粒填充法，将SiO2超微粉体掺杂到紫外光固化涂料中，可以明显提高紫外光固化涂料的硬度和附着力，还可以减弱紫外光固化涂料吸收UV辐射的程度，从而降低紫外光固化涂料的固化速度。

SiO2超微粉体具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表现出极大的活性，能在涂料干燥时形成网状结构，增加涂料的强度和光洁度，而且还能提高颜料的悬浮性，保持涂料的颜色长期不变。

在建筑内外墙涂料中，若添加SiO2超微粉体，可明显改善涂料的开罐效果，使涂料不分层，且具有良好的触变性、防流挂性和施工性能，尤其是使其抗沾污性能大大提高，从而具有优良的自清洁能力。

（3）在橡胶中的应用

橡胶是一种伸缩性优异的弹性体，但其综合性能并不令人满意，生产橡胶制品过程中通常需在胶料中加入炭黑来提高强度、耐磨性和抗老化性，但由于炭黑的加入使得制品均为黑色，且档次不高。

而SiO2超微粉体在我国的问世为生产出色彩新颖、性能优异的新一代橡胶制品奠定了物质基础。

在普通橡胶中添加少量SiO2超微粉体后，产品的强度、耐磨性和抗老化性等性能均达到或超过高档橡胶制品，而且可以保持颜色长久不变。

微粉改性彩色三元乙丙防水卷材，其耐磨性、抗拉强度、抗折性、抗老化性能均提高明显，且色彩鲜艳，保色效果优异。

彩色轮胎的研制工作也取得了一定的进展，如轮胎侧面胶的抗折性能由原来的10万次提高到50万次以上，有望在不久的将来，实现国产汽车、摩托车轮胎的彩色化。

（4）在纺织行业中的应用

随着科学技术的发展和人类生活水平的提高，人们对服装提出了舒适、新颖、保健的要求，各种功能化的纺织品应运而生。

在此，SiO2超微粉体发挥了巨大的作用。

目前，人们已将其应用于防紫外、远红外、抗菌消臭、抗老化等方面。

例如，以SiO2超微粉体和TiO2超微粉体的适当配比而成的复合粉体是抗紫外辐射纤维的重要添加剂。

又如，日本帝人公司将SiO2超微粉体和ZnO超微粉体混入化学纤维中，得到的化学纤维具有除臭及净化空气的功能。

这种纤维可被用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、睡衣等。

（5）在化妆品中的应用

对于化妆品来说，要求对紫外线屏蔽能力强，最好是既能防护紫外中波（UVB）对人体的危害，亦能对紫外长波（UVA）起防护作用。

实质上，紫外屏蔽包括两方面，一是前面所述对紫外线的吸收，另一方面是对紫外线的反射，目前，世界上从紫外反射性能角度开发的抗紫外剂还未见报道。

在防晒产品中以往多使用有机化合物为紫外线吸收剂，但是存在诸如为了尽可能保护皮肤不接触紫外线而提高添加量之后，会增加发生皮肤癌以及产生化学性过敏等问题，而SiO2超微粉体为无机成分，易于与化妆品其它组分配和，无毒、无味，不存在上述问题，且自身为白色，可以简单地加以着色，尤其可贵的是SiO2超微粉体反射紫外能力强、稳定性好，被紫外线照射后不分解，不变色，也不会与配方中其它组分起化学反应。

因此，SiO2超微粉体为防晒化妆品的升级换代奠定了良好的基础。

（6）在其它方面的应用

SiO2超微粉体可用于木材中，所制得的复合材料，既能保持木材的原始细胞结构，外观及可加工性，又能使木材的使用性得到改善。

SiO2超微粉体的透明度好，作为瓷土的重要原料不但可以使涂层变得更加致密，而且使其表面变得更加光滑。

SiO2超微粉体可用于油墨中作为分散剂和流量控制剂，可用于封装材料中改善封装材料的性能，还可以作为人造莫来石的重要材料。

SiO2超微粉体在电子组装材料、隔热材料、传感材料等方面都有着重要的应用，甚至能节约能源、保护环境。

1.4SiO2超微粉体的制备方法

SiO2的制备工艺可分为干法和湿法两大类。

干法包括气相法和电弧法，湿法有沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、超重力反应和水热合成法等。

干法工艺制备的产品具有纯度高、性能好的特点，但在生产过程中能源消耗大、成本高。

而湿法所用原料广泛、廉价，并且可以制备出粒度均匀、分布窄、纯度高、分散性好、比表面积大的SiO2超微粉体。

1.4.1气相法[7]

气相法多以SiCl4为原料，采用SiCl4气体在高温氢氧气流下水解制得烟雾状的SiO2:

2H2+O2→2H2O（1-1）

SiCl4+2H2O→SiO2+4HCl（1-2）

2H2+O2+SiCl4→SiO2+4HCl（1-3）

该法的优点是产物纯度高、分散度高、粒子细而且成球形，表面羟基少，因而具有优异的补强性能，但原料昂贵，能耗高，技术复杂，设备要求高，这些条件限制了产品的应用。

1.4.2沉淀法

沉淀法是硅酸盐通过酸化获得疏松、细分散，以絮状结构沉淀出来的SiO2晶体。

Na2SiO3+HCl→H2SO3+NaCl（1-4）

H2SO3→SiO2+H2O（1-5）

该法原料易得，生产流程简单，能耗低，投资少，但是产品质量不如采用气相法和凝胶法的产品好。

目前，沉淀法制备SiO2技术包括以下几类：

（1）在有机溶剂中制备高分散性能的SiO2；

（2）酸化剂与硅酸盐水溶液反应，沉降物经分离、干燥制备SiO2；

（3）碱金属硅酸盐与无机酸混和形成SiO2水溶胶，再转变为凝胶颗粒，经干燥、热水洗涤、再干燥，锻烧制得SiO2；

（4）水玻璃的碳酸化制备SiO2；

（5）通过喷雾造粒制备边缘平滑非球形SiO2。

采用沉淀法制备SiO2，因其反应介质、反应物配比、工艺条件不同，所得产物性能迥异。

现有使用沉淀法制备高性能SiO2对硅橡胶进行补强，补强性能等价于气相白炭黑，该粒子综合物理性能平衡，在低剪切条件下与硅橡胶混合即可获得补强结构，通过确定合适配方，在一定硬度水平上使配合胶料获得最佳的强度。

沉淀法的优点是工艺简单、成本低、产率大，对设备要求不高，制备过程

比较好控制，利于向工业化生产方向发展。

但是，采用沉淀法制备粉体容易产生硬团聚，从而影响粉体的性能。

1.4.3水热法[3]

水热法是在密封的压力容器中，以水溶液或蒸汽等流体作为介质，在高温（>100℃）高压、（>9.8lMPa）等条件下制备无机化合物晶体或粉体的一种化学合成方法。

按水热反应的温度进行分类，可以分为亚临界反应和超临界反应，前者反应温度在100-240℃之间，适于工业或实验室操作，后者实验温度已高达1000℃，压强高达0.3GPa，是利用作为反应介质的水在超临界状态下的性质和反应物质在高温高压水热条件下的特殊性质进行合成的反应。

水热法制备SiO2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体。

反应的方程式如下。

5Si（OC2H5）4+12H2O→Si5O4（OH）12+12C2H5OH（1-6）

Si5O4（OH）12→5SiO2+6H2O（1-7）

将得到的沉淀过滤、洗涤、干燥则得到最终的SiO2粉体。

水热法的优点是由于经过高温高压处理，形成颗粒表面钝化，不易团聚，能形成较好超细粉体。

常温常压下一些从热力学分析上看可以进行的反应，往往因反应速度极慢，以至于在实际上没有价值，但水热条件下却可能使反应得以实现。

但是水热法不适用于制备一些与水反应和易于水解、分解的化合物。

1.5溶胶-凝胶法简介

溶胶凝胶法的历史可追溯到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，此现象引起化学家的注意。

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-凝胶法制备出相图研究中的均质试样，且在低温下制备出透明陶瓷和耐热玻璃，这阶段使从胶体化学原理应用到制备无机材料获得初步成功，引起了人们的重视。

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，进而认识到可以利用此法对材料的性能进行剪裁。

溶胶-凝胶法不仅可以用于制备微粉，而且还可以用于制备薄膜、纤维、体材和复合材料。

1.5.1溶胶-凝胶法的原理

溶胶-凝胶法的工艺原理是：

以液体化学试剂配制成金属无机盐或金属醇盐的前驱体，前驱体溶于溶剂中形成均匀的溶液（有时加入少量分散剂），加入适量的凝固剂使盐水解醇解或发生聚合反应生成均匀、稳定的溶胶体系，再经过长时间放置（陈化）或干燥处理使溶质聚合凝胶化，然后将凝胶干燥、烧结去除有机成分，最后得到无机超微粉体材料。

因此，也有人把溶胶-凝胶法归类为前驱化合物法[8]。

根据原料的不同，溶胶-凝胶法一般可分为两类，即无机盐溶胶-凝胶法和金属醇盐水解法。

1.在无机盐溶胶-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颗粒而生成沉淀，直接得到溶胶或先将部分或全部组分用适当的沉淀剂沉淀出来，经解凝，使原来团聚的沉淀颗粒分散成胶体颗粒，且溶胶的形成主要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。

水解反应

金属醇盐M（OR）n（n为金属M的化合价）与水反应为：

M（OR）n+xH2O→M（OH）x（OR）n-x+xROH（1-8）

缩聚反应

水缩聚一M—OH+OH—M→一M—O—M一+H2O（1-9）

失醇缩聚一M—OR+OH—M→一M—O—M一+ROH（1-10）

具体地讲就是以硅醇盐或硅卤化物为原料，以醇作为共溶剂，加入作为催化剂的酸或碱溶液，通过硅醇盐或硅卤化物的水解、缩聚，形成SiO2凝胶。

最后进行洗涤、干燥、煅烧得到SiO2粉体。

胶化的时间取决于pH值、温度、加水量以及催化剂的性质。

通常分为一步溶胶-凝胶法和两步溶胶-凝胶法[3]。

典型的一步溶胶-凝胶反应为

Si（OC2H5）4+4H2O→Si（OH）4+4C2H5OH（水解）（1-11）

nSi（OH）4→nSiO2+2nH2O（缩聚）（1-12）

具体的过程可以用以下三个过程描述：

醇盐水解形成硅醇、硅醇凝聚成聚合物、聚合物相互凝聚成凝胶。

两步法就是将溶胶-凝胶法的过程分成两步，第一步先将Si（OR）n与无水乙醇及部分化学计量的水（约1:

4）混合搅拌，在酸性条件下让醇盐部分水解缩聚，形成浓聚SiO2；第二步将剩余的水加入，调节pH值，在碱性条件下进一步完全水解缩聚，形成凝胶。

本文是采用一步溶胶-凝胶法制备SiO2超微粉体。

与其它的制备方法相比，溶胶-凝胶法具有许多优点：

较低的反应温度，一般为室温或稍高温度，大多数有机活性分子可以引入此体系中并保持其物理性质和化学性质；

反应时从溶液开始，各组分的比例易得到控制，且达到分子水平上的均匀；

不涉及高温反应，能避免杂质的引入，可保证最终产品的纯度；

可根据需要，在反应的不同阶段，制取薄膜、纤维或块状等功能材料。

1.5.2制备超微粉体材料的过程[9]

溶胶-凝胶法制备无机超微粉体材料过程主要包括5个步骤[10]

图1.2溶胶-凝胶法的工艺过程

Fig1.2Thetechnologicalchainofsol-gelprocess

（1）均相溶液的制备

均相溶液是反应的主体，为了保证水解反应在分子水平上进行，需要制备包含醇盐、有机溶剂和水的均相溶液。

由于金属醇盐在水中的溶解度不大，而醇与醇盐溶液互溶，也跟水互溶，所以一般用醇作溶剂。

为保证起始溶液的均相性，对配制的混合液必须施以搅拌，为防止反应过程中易挥发组分的散失而造成组分变化，一般需加回流冷凝装置。

（2）溶胶的制备

溶质在水解和聚合后生成颗粒，当条件适当时，就能形成稳定的溶胶。

通常有两种方法可以形成溶胶，一种为颗粒法，金属醇盐在水解和聚合过程中，颗粒的最终状态取决于它的粒径、体系温度和溶液的pH值；另一种为聚合法，其特点为醇盐水解后的产物与反应物之间发生聚合反应，生成M-O-M键，形成聚合物颗粒。

在溶胶-凝胶法中，最终产品的结构在溶液中已初步形成，后续工艺与溶胶的性质直接相关，因此溶胶的质量十分重要。

（3）凝胶化过程

凝胶是一种由细小粒子聚集成三维网状结构和连续分散相介质组成的具有固体特征的胶态体系。

溶胶向凝胶的转变过程可简述为：

缩聚反应形成的聚合物或粒子聚集体长大为小粒子簇后逐渐相互连接成三维网络结构，最后凝胶硬化。

（4）凝胶的干燥

湿凝胶干燥时，表观上表现为收缩、硬化和产生应力，最后可能导致凝胶开裂。

这是因为湿凝胶中包裹着大量的水分、有机基团和有机溶剂。

同时在干凝胶中留下大量开口和闭口气孔，这些孔将影响以后的烧结。

使凝胶开裂的应力主要来自于凝胶骨架孔隙中液体的表面张力所引起的毛细管力，它使凝胶颗粒重排，体积收缩。

（5）干凝胶的热处理

热处理的目的是消除干凝胶中的气孔，使制品的相组成和显微结构满足产品性能的要求。

在加热过程中，干凝胶先在低温下脱去吸附在表面的水和醇，260－300℃发生-OR基氧化，300℃以上则脱去结构中的-OR基。

由于热处理伴随有较大的体积收缩，各种气体（CO2、H2O、ROH）的释放，加之-OR基在非充分氧化时还可能碳化成碳质颗粒，所以升温速度不宜过快。

凝胶经干燥、烧结转变成固体材料的过程是溶胶-凝胶法的重要步骤，由多孔疏松凝胶转变成致密玻璃至少有4个历程：

毛细收缩、缩合-聚合、结构弛豫和粘滞烧结。

1.5.3溶胶-凝胶法的特点[11]

在溶胶-凝胶工艺中，由于材料的初期结构在溶液溶胶-凝胶过程中已形成。

通过灵活的制备工艺和胶体改性，可在材料制备的初期就对其化学状态、几何构型、粒径和均匀性等超微结构进行控制，这种从无控制状态到有控制状态的改变并不是一个简单的量变递进的过程，已在众多方面显示出其独特的价值和新的现象。

目前，溶胶-凝胶法应用研究所涉及的材料领域相当广泛。

从已有的研究看，溶胶-凝胶法至少在以下方面有其独到的优势：

⑴合成温度低

运用该法时的烧结温度通常比传统方法低400～500℃，这不但降低了对反应系统工艺条件的要求及能耗，而且可制得一些传统方法难以得到或根本得不到的材料，尤其在制备薄膜的工艺中，降低了对基底材料的要求，扩大了应用范围。

⑵化学均匀性好

由于在溶胶-凝胶过程中，溶胶由溶液制得，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致。

该方法使反应物在分子水平进行反应和混合，能使产物达到很高的均一度及细化度。

⑶化学计量准确

成分配比可控，易于改性，可掺杂范围宽。

⑷产品形态多样化

从同一种原料出发，通过改变工艺过程即可获得不同形态的产品，如粉料、薄膜、纤维等。

⑸成本低廉

原料来源丰富，工艺简单，不需要昂贵的设备。

溶胶-凝胶法因其工艺独特的优点日益受到人们的重视，近年来，溶胶-凝胶法在无机微粒、薄膜的制备及微粒的表面包覆等方面得到了广泛的应用。

但它也存在着许多不足之处，如反应周期太长，工艺参数的控制极为困难，难以实现大型工艺化生产；在生产过程中污染严重，不利于环境保护；热处理过程时间较长，制品易产生开裂等。

这些问题都有待于解决，但不可否认的是，它为超微粉体材料的制备提供了一种简便可行的方法，而且具有极大的潜在应用价值。

1.5.4溶胶-凝胶法的应用

在溶胶-凝胶法的全过程中[3]，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①；经过蒸发除去溶剂或蒸发分别得到气凝胶②或干凝胶③，后者经烧结得到致密的陶瓷体④。

同时，均相溶胶可以在不同衬底上涂膜⑤，经过烧结等热处理得到均匀致密的薄膜⑥；也可以拉丝，得到玻璃纤维⑦；以及均相溶胶经不同方式处理得到粉体⑧。

图1.3溶胶-凝胶法制备粉体、纤维、薄膜、块体材料的过程

Fig1.3Thepreparedprocessofpowders,fibers,filmsandbulkmaterials

undersol-gelmethod

目前，溶胶-凝胶法广泛应用于各个领域，主要应用于以下几个方面：

（1）在陶瓷刀具涂层方面的应用[12]

当今世界切削加工的发展要求是高速度、高精度，在这一方面，陶瓷刀具以其卓越的高温性能、硬度及耐磨性显示出了极大的优越性，得到普遍重视。

但陶瓷材料的强度和韧性低，在许多加工条件下易于因破损而失效，大大限制了其应用范围，尤其在自动化加工领域，因其可靠性差很少使用。

70年代出现了陶瓷涂层刀具，它结合了陶瓷材料和硬质合金材料的优点，在拥有与硬质合金材料相近的强韧性能的同时，耐磨性大大提高，能达到未涂层刀具的几倍到几十倍，并且使加工效率显著提高。

（2）在生物传感器方面的应用[13]

生物传感器是一种以生物活性单元（如:

酶、抗体、核酸、细胞等）作为敏感基元，对被分析物具