磁性材料及其制備

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1、磁性材料及其制備磁性材料及其制備 磁性材料簡(jiǎn)介磁性材料簡(jiǎn)介 物質(zhì)磁性來(lái)源物質(zhì)磁性來(lái)源 磁性材料分類磁性材料分類 磁性材料宏觀性質(zhì)及應(yīng)用磁性材料宏觀性質(zhì)及應(yīng)用 外場(chǎng)與磁性材料的相互作用外場(chǎng)與磁性材料的相互作用 鐵氧體磁性材料鐵氧體磁性材料 材料的制備材料的制備 磁性是物質(zhì)的一種屬性，從微觀粒子到宏觀物體，乃至宇宙天體，都具有某種程度磁性；換言之，一切物質(zhì)皆有磁性。一、序言-磁學(xué)是既古老又年青的學(xué)科 春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代“慈石”的記載； 公元前3世紀(jì)，我國(guó)發(fā)明了指南針； 黃帝 司馬遷史記描述黃帝作戰(zhàn)用指南針 東漢 王充在論衡描述“司南勺” 1086年 宋朝沈括夢(mèng)溪筆談指南針的制造方法等 1119年 宋朝朱

2、或萍洲可談 羅盤 用于航海的記載 論磁石 最早的著作De Magnete W.Gibert 18世紀(jì) 奧斯特 電流產(chǎn)生磁場(chǎng) 法拉弟效應(yīng) 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生電流 安培定律 構(gòu)成電磁學(xué)的基礎(chǔ) , 電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工 業(yè) 1907年 P.Weiss的磁疇和分子場(chǎng)假說 1919年 巴克豪森效應(yīng) 1928年 海森堡模型，用量子力學(xué)解釋分子場(chǎng)起源 1931年 Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇 1933年 加藤與武井發(fā)現(xiàn)含Co的永磁鐵氧體磁性與磁性材料的發(fā)展史1935年 荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體1935年 Landau和Lifshitz考慮退磁場(chǎng), 理論上預(yù)言了磁疇結(jié)構(gòu)1946年 Bi

3、oembergen發(fā)現(xiàn)NMR效應(yīng)1948年 Neel建立亞鐵磁理論1954-1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mssbauer效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1960年 非晶態(tài)物質(zhì)的理論預(yù)言1965年 Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金1970年 SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)1982年 掃描隧道顯微鏡,Brining和Rohrer,( 1986年,AFM )1984年 NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn) Sagawa(佐川)1986年 高溫超導(dǎo)體，Bednortz-muller1988年 巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn), M.N.Baibich 2007諾貝爾獎(jiǎng)阿爾貝費(fèi)爾A.Fert和彼得格林貝格爾P

4、.Grnberg 1994年 CMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，Jin等LaCaMnO31995年 隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki 漢（公元前206公元220年）。盤17.817.4厘米,勺長(zhǎng)11.5，口徑4.2厘米。司南由青銅地盤與磁勺組成。地盤內(nèi)圓外方；中心圓面下凹；圓外盤面分層次鑄有10天干，十二地支、四卦，標(biāo)示二十四個(gè)方位。磁勺是用天然磁體磨成，置于地盤中心圓內(nèi)，勺頭為N，勺尾為S，靜止時(shí)，因地磁作用，勺尾指向南方。此模型是王振鐸先生據(jù)論衡等書記載并參照出土漢代地盤研究復(fù)制。 司 南各種磁效應(yīng)示意圖磁性關(guān)聯(lián)的眾多邊緣學(xué)科現(xiàn)代汽車需要使用幾十個(gè)小型永磁電動(dòng)機(jī)和其它磁控機(jī)械元件。The

5、number of magnets in the family car has increased from one in the 1950s to over thirty today. 幾乎遍及人類生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。磁性的應(yīng)用二 物質(zhì)磁性的起源： 安培分子電流學(xué)說組成磁鐵的每個(gè)分子都具有一個(gè)小的分子電流，經(jīng)過磁化的磁鐵其小分子電流都定向規(guī)則排列 現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為物質(zhì)的磁性來(lái)源于組成物質(zhì)中原子的磁性1 原子中外層電子的軌道磁矩2 電子的自旋磁矩3 原子核的核磁矩 原子的總磁矩應(yīng)是按照原子結(jié)構(gòu)和量子力學(xué)規(guī)律將原子中各個(gè)電子的軌道磁矩和自旋磁矩相加起來(lái)的合磁矩總的來(lái)說，組成宏觀物質(zhì)的原子有兩類：

6、一類原子中的電子數(shù)為偶數(shù)，即電子成對(duì)地存在于原子中。這些成對(duì)電子的自旋磁矩和軌道磁矩方向相反而互相抵消，使原子中的電子總磁矩為零，整個(gè)原子就好像沒有磁矩一樣，習(xí)慣上稱他們?yōu)榉谴旁印?另一類原子中的電子數(shù)為奇數(shù)，或者雖為偶數(shù)但其磁矩由于一些特殊原因而沒有完全抵消使原子中電子的總磁矩（有時(shí)叫凈磁矩，剩余磁矩）不為零，帶有電子剩余磁矩的原子稱作磁性原子。 以上關(guān)于物質(zhì)磁性惟一來(lái)源于磁矩的觀點(diǎn)，統(tǒng)稱為磁矩學(xué)說，或稱為磁偶極矩學(xué)說。磁矩學(xué)說一個(gè)很明確的結(jié)論是不存在磁單極。 1931年狄拉克從理論上論證了磁單極子存在的可能性。但至今還未曾從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)磁單極子。磁有序材料 定義：物質(zhì)內(nèi)磁矩的空間取向具有長(zhǎng)

7、程有序規(guī)律的現(xiàn)象稱為磁有序，它主要依賴與原子磁矩間的相互作用以及自旋-軌道耦合和晶體場(chǎng)效應(yīng)等因素。 磁有序形式通常稱為磁有序結(jié)構(gòu)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的磁有序結(jié)構(gòu)有幾個(gè)方面： 1、鐵磁有序結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)是整個(gè)自旋平行排列，具有很強(qiáng)的自發(fā)磁化強(qiáng)度，鐵族元素中鐵、鈷、鎳，稀土族元素中釓、鋱、鏑及其合金屬于此類。 2、反鐵磁有序結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)是兩組相鄰自旋反平行排列，方向相反，但數(shù)量相等，凈自發(fā)磁化強(qiáng)度等于零。例如NiO、MnO、FeS等化合物即是此類。 3、亞鐵磁有序結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)是兩組相鄰自旋取向相反但不等量，其自發(fā)磁化強(qiáng)度等于兩組反向自旋的差，宏觀磁性與鐵磁性類似，但數(shù)值上臂鐵磁性的小，稱為亞鐵磁有序結(jié)構(gòu)。鐵氧體就是

8、亞鐵磁有序結(jié)構(gòu)的典型材料。 4、螺旋磁性有序結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)是在一個(gè)原子面內(nèi)，自旋為鐵磁性取向，當(dāng)原子面改變時(shí)，自旋方向跟著改變，稀土金屬如鋱、鏑、鉺、銩、鈥等，當(dāng)處于鐵磁居里溫度Tc以下及奈爾溫度TN以上溫區(qū)時(shí)，均呈現(xiàn)螺旋磁性有序結(jié)構(gòu)。 5、正弦波模有序結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)是自旋密度本身以正弦波調(diào)制形成。在鉻金屬及其合金中能夠看到這種磁有序結(jié)構(gòu)。 6、錐形磁有序結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)磁體中，原子分布可以是短程有序，任一原子的最近鄰原子數(shù)和原子間距的統(tǒng)計(jì)平均值同晶態(tài)合金很近似，在錐形磁有序結(jié)構(gòu)中有可以分為散反鐵磁性有序結(jié)構(gòu)（speromagnetism）；散亞鐵磁性有序結(jié)構(gòu)（sperimagnetism）；散鐵磁性有序

9、結(jié)構(gòu)（asperomagnetism）三種形式。 在稀土金屬中，對(duì)磁性有貢獻(xiàn)的4f電子是局域的，距離原子核只有0.5 - 0.6埃。4f層以外有5p65d16s2等電子殼層對(duì)它起了屏蔽作用。因此，不同原子中的4f電子間不可能存在直接交換作用，但其自發(fā)磁化可用s-f電子交換作用模型來(lái)說明。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)不同的磁結(jié)構(gòu)示意圖 （a）鐵磁性Gd,Tb,Dy（b）簡(jiǎn)單螺磁性Tb,Dy,Ho（c）鐵磁螺磁性（錐面）Ho,Er(d) 反向錐面（復(fù)雜螺磁性）Er（e）正弦形縱向自旋玻璃Er, Tm（f）方波模（反向疇）Tm 稀土鐵族合金的鐵磁性有序磁性材料分類（按實(shí)用觀點(diǎn)來(lái)分

10、） 信磁材料磁記錄、磁存儲(chǔ)、磁微波、磁光等 特磁材料磁致伸縮、磁電阻、磁液體、磁制冷、復(fù)合磁材料等 1.抗磁性：沒有固有原子磁矩 2.順磁性：有固有磁矩，沒有相互作用 3.鐵磁性：有固有磁矩，直接交換相互作用 4.反鐵磁性：有固有磁矩，間(直)接交換相互作用 5.亞鐵磁性：有固有磁矩，間接交換相互作用 6.自旋玻璃和混磁性：有固有磁矩，RKKY相互作用 7.超順磁性：磁性顆粒的磁晶各向異性與熱激發(fā)的競(jìng)爭(zhēng) 這是19世紀(jì)后半葉就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究的一類弱磁性。它的最基本特征是出現(xiàn)在沒有原子磁矩的材料中，其抗磁磁化率是負(fù)的， 0，而且很小， -10-5。產(chǎn)生的機(jī)理： 外磁場(chǎng)穿過電子軌道時(shí)，引起的電磁感應(yīng)

11、使軌道電子加速。根據(jù)楞次定律，由軌道電子的這種加速運(yùn)動(dòng)所引起的磁通，總是與外磁場(chǎng)變化相反，因而磁化率是負(fù)的。典型抗磁性物質(zhì)的磁化率是常數(shù)，不隨溫度、磁場(chǎng)而變化。有少數(shù)的反常。 典型抗磁性是軌道電子在外磁場(chǎng)中受到電磁作用而產(chǎn)生的，因而所有物質(zhì)都具有的一定的抗磁性，但只是在構(gòu)成原子（離子）或分子的磁距為零，不存在其它磁性的物質(zhì)中， 才會(huì)在外磁場(chǎng)中顯示出這種抗磁性。在外場(chǎng)中顯示抗磁性的物質(zhì)稱作抗磁性物質(zhì)。除了軌道電子的抗磁性外，傳導(dǎo)電子也具有一定的抗磁性，并造成反常。 1. 抗磁性（Diamagnetism) 在與外磁場(chǎng)相反的方向誘導(dǎo)出磁化強(qiáng)度的現(xiàn)象稱為抗磁性。eiM 這是19世紀(jì)后半葉就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并

12、研究的另一類弱磁性。它的最基本特征是磁化率為正值且數(shù)值很小，00，磁化率數(shù)值很大，2. 磁化率數(shù)值是溫度和磁場(chǎng)的函數(shù)；3. 存在磁性轉(zhuǎn)變特征溫度居里溫度TC，溫度低于居里溫度時(shí)呈鐵磁性，高于居里溫度時(shí)表現(xiàn)為順磁性，其磁化率溫度關(guān)系服從居里-外斯定律。4. 在居里溫度附近出現(xiàn)比熱等性質(zhì)的反常。5. 磁化強(qiáng)度M和磁場(chǎng)H之間不是單值函數(shù)，存在磁滯效應(yīng)。 構(gòu)成這類物質(zhì)的原子也有一定的磁矩，但宏觀表現(xiàn)卻完全不同于順磁性，解釋鐵磁性的成因已成為對(duì)人類智力的最大挑戰(zhàn)，雖然經(jīng)過近100年的努力已經(jīng)有了比較成功的理論，但仍有很多問題有待后人去解決。 pCTT0510103. 鐵磁性（Ferromagnetism

13、) 反鐵磁性是1936年首先由法國(guó)科學(xué)家Neel從理論上預(yù)言、1938年發(fā)現(xiàn)，1949年被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，它的基本特征是存在一個(gè)磁性轉(zhuǎn)變溫度，在此點(diǎn)磁化率溫度關(guān)系出現(xiàn)峰值。4. 反鐵磁性（Antiferromagnetism)弱磁！ 人類最早發(fā)現(xiàn)和利用的強(qiáng)磁性物質(zhì)天然磁石Fe3O4就是亞鐵磁性物質(zhì)，上世紀(jì)3040年代開始在此基礎(chǔ)上人工合成了一些具有亞鐵磁性的氧化物，但其宏觀磁性質(zhì)和鐵磁物質(zhì)相似，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，人們并未意識(shí)到它的特殊性，1948 年 Neel在反鐵磁理論的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了亞鐵磁性理論后，人們才認(rèn)識(shí)到這類物質(zhì)的特殊性，在磁結(jié)構(gòu)的本質(zhì)上它和反鐵磁物質(zhì)相似，但宏觀表現(xiàn)上卻更接近于鐵磁物質(zhì)。對(duì)這類

14、材料的研究和利用克服了金屬鐵磁材料電阻率低的缺點(diǎn)，極大地推動(dòng)了磁性材料在高頻和微波領(lǐng)域中的應(yīng)用，成為今日磁性材料用于信息技術(shù)的主體。 強(qiáng)磁！5. 亞鐵磁性（Ferrimagnetism)五種主要磁性的原子磁距分布特點(diǎn) 上面幾種磁有序結(jié)構(gòu)，都是共線的，或平行，或反平行。20世紀(jì)70年代后，主要在稀土金屬和合金里發(fā)現(xiàn)了一些非共線結(jié)構(gòu)，在微粉和納米磁性材料里，在非晶材料里，也都發(fā)現(xiàn)了一些新的結(jié)構(gòu)類型，它們極大地豐富了我們對(duì)物質(zhì)磁性的認(rèn)識(shí)。 20世紀(jì)70年代后，隨著稀土元素的研究和觀測(cè)技術(shù)的提高，人們又在晶狀材料中發(fā)現(xiàn)了很多非共線的磁結(jié)構(gòu)，即在這些材料的不同原子層中的原子磁矩或在原子層平面內(nèi)、或在與原

15、子平面成一定角度的錐面內(nèi)，以一定的旋轉(zhuǎn)角度做螺旋式排列（見下頁(yè)圖）產(chǎn)生平面螺旋磁性或錐面螺旋磁性，通稱螺旋型磁結(jié)構(gòu)。雖然在磁性結(jié)構(gòu)上，它和鐵磁性、反鐵磁性有所不同，但其宏觀表現(xiàn)上是相似的。例如：Gd：T 221K, 是平面型簡(jiǎn)單鐵磁性。 221K T PZC時(shí)，膠粒表面帶負(fù)電荷；反之，則帶正電荷。根據(jù)DLVO理論，膠粒受到雙電層斥力和長(zhǎng)程范德華引力二種作用，此外，膠粒間相互作用還有分子間的范德華力和由表層價(jià)電子重疊引起的短程波恩斥力。2.溶膠凝膠合成方法基本原理 水解反應(yīng)水解反應(yīng)：M(OR)n + xH2O M(OH)x(OR)n-x + xR-OH 縮聚反應(yīng)：縮聚反應(yīng)：(OR)n-1M-OH

16、 + HO-M(OR)n-1 (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + H2O m(OR)n-2 M(OH)2 (OR) n-2M-Om + mH2O m(OR)n-3 M(OH)3 (OR) n-3M-Om + mH2O + mH+ 羥基與烷氧基之間也存在縮合反應(yīng)羥基與烷氧基之間也存在縮合反應(yīng) :1、醇鹽的水解-縮聚反應(yīng)(OR)n-x(HO)x-lM-OH + ROM(OR)n-x-l (OH)x (OR)n-x(OH)M-O-M(OR)n-x-l (OH)x(OH)x + R-OH 水解反應(yīng)：Mn+ nH2O M(OH)n nH+ 凝膠化2、無(wú)機(jī)鹽的水解-縮聚反應(yīng)2.溶膠凝膠合成方法基本

17、原理脫水凝膠化堿性凝膠化膠粒脫水，擴(kuò)散層中電解質(zhì)濃度增加，凝膠化能壘逐漸減小 xM(H2O)nz+ + yOH- + aA- MxOu(OH)y-2u(H2O)nAa(xz-y-a)+ + (xn+u-n)H2O A- 凝膠過程中所加入的酸根離子。 當(dāng)x=1時(shí)，形成單核聚合物； 在x1時(shí)，形成多核聚合物。 Mz+可通過O2-、OH-、H2或A-與配體橋聯(lián)。 溶膠凝膠法的應(yīng)用前驅(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塊體材料多孔材料纖維材料復(fù)合材料復(fù)合材料粉體材料粉體材料薄膜及涂層材料2.溶膠凝膠合成生產(chǎn)設(shè)備 12345電力攪拌溶膠凝膠合成反應(yīng)示意圖1.回流裝置

18、2. 電力式脈動(dòng)器 3.溫度計(jì) 4.容器 5. 水熱裝置 1234567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(dòng)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 3. 溶膠-凝膠工藝過程 Sol-gel 合成材料合成材料溶液溶膠化溶液溶膠化超細(xì)粉和溶液超細(xì)粉和溶液機(jī)械混合形成膠液機(jī)械混合形成膠液 金屬無(wú)機(jī)化合物或金屬無(wú)機(jī)化合物或金屬醇鹽水解金屬醇鹽水解 金屬有機(jī)化合物金屬有機(jī)化合物水解水解 凝膠化成型凝膠化成型固化處理固化處理干燥干燥熱處理熱處理溶膠-凝膠工藝過程溶膠-凝膠法的應(yīng)用領(lǐng)域 溶膠凝膠技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子、復(fù)合材料、生物、陶瓷

19、、光學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)以及環(huán)境處理等各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和材料科學(xué)的諸多領(lǐng)域。1、材料學(xué)方面的應(yīng)用 (1) 高性能粒子探測(cè)器 (2) 隔熱材料 (3) 聲阻抗藕合材料 (4) 電介質(zhì)材料 (5)有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化材料 (6) 金屬陶瓷涂層耐蝕材料 (7) 納米級(jí)氧化物薄膜材料 (8) 橡膠工業(yè)的應(yīng)用 (9) 在生物材料方面的應(yīng)用 2、溶膠-凝膠技術(shù)在催化劑及催化劑載體方面的應(yīng)用（1）溶膠-凝膠技術(shù)制備金屬-氧化物催化劑（2）溶膠-凝膠技術(shù)在包容均相催化劑方面的應(yīng)用3、溶膠-凝膠技術(shù)分析化學(xué)方面應(yīng)用（1）色譜分析中的應(yīng)用1）制備色譜填料2）制備開管柱和電色譜固定相 3）在電分析中的應(yīng)用4）在光分析中

20、的應(yīng)用（2）在生物化學(xué)方面的應(yīng)用4、其它方面 應(yīng)用一、溶膠-凝膠法制備SiO2玻璃 （一）前驅(qū)體溶液的制備 （二）溶液的凝膠化轉(zhuǎn)變 (三)潤(rùn)濕凝膠體的干燥（四）干燥凝膠體的燒結(jié) （五）玻璃凝膠塊制備的開裂問題應(yīng)用二、溶膠-凝膠法制備含納米CdS的玻璃 具體操作為：先把正硅酸乙酯(TEOS)滴入水和乙醇的混合溶液中，在酸性條件下(pH=1.02.5)水解，并攪拌1h。然后，按不同的量稱取乙酸鎘，并溶入甲醇中，與上述溶液一起倒入堿性(pH=10.511.5)的乙醇、水混合溶液中，攪拌530min。將攪拌的溶液倒入培養(yǎng)皿中，在干燥箱內(nèi)放置12d，得到凝膠，再干燥510d，得到干凝膠。將干膠在5007

21、00溫度下熱處理數(shù)小時(shí)，就得到多孔玻璃。將多孔玻璃在抽空的容器中減壓條件下與干燥的H2S氣體反應(yīng)，得到含有硫化鎘微晶的凝膠玻璃，最后所得樣品為淡黃色。應(yīng)用三、溶膠-凝膠法制備半導(dǎo)體微晶玻璃 半導(dǎo)體微晶玻璃的研究和開發(fā)起因于美國(guó)Hughes研究所的R. K. Jain和R. C. Lind于1983年在市售的黃一紅色的銳截止濾光玻璃上觀測(cè)到了很高的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，而該光學(xué)濾光玻璃是將CdSxSe1x摻雜于Sol-Gel中。以此為開端，人們開始了溶膠-凝膠法制備半導(dǎo)體微晶玻璃的研究。 目前已有眾多的半導(dǎo)體微晶摻雜于Sol-Gel基質(zhì)中，如CdS，Bi2S3，ZnS，CdSe，CdTe，CuCl

22、，CuBr，CuI等。一、溶膠-凝膠法制備納米粉體的種類及方法1.按原料和機(jī)理的不同，主要可以分為三大基本類型： 傳統(tǒng)的膠體溶膠-凝膠法（物理方法） 金屬有機(jī)化合物聚合凝膠法（化學(xué)方法） 有機(jī)聚合玻璃凝膠法 （化學(xué)方法）2.傳統(tǒng)溶膠-凝膠法：是先將膠質(zhì)顆粒(直徑一般為1100nm)分散在液體介質(zhì)中形成溶膠，然后通過蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為凝膠。凝膠化作用由溶膠中的膠質(zhì)顆粒之間的靜電或空間相互作用控制， 應(yīng)用四、 溶膠-凝膠法制備納米粉體3.金屬有機(jī)化合物聚合凝膠法包括： （1）金屬醇鹽水解法 （2）金屬螯合凝膠法。(1)金屬醇鹽水解法 金屬有機(jī)化合物溶解在合適的溶劑中，發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，如水解、縮聚和聚合

23、，形成連續(xù)的無(wú)機(jī)網(wǎng)絡(luò)凝膠。(2)金屬螯合凝膠法金屬螯合凝膠法的基本思想:是通過可溶性螯合物的形成減少前驅(qū)液中的自由離子。在制備前驅(qū)液時(shí)添加強(qiáng)螯合劑，例如檸檬酸和EDTA (ethylene-diamine-tetra-acetic acid)，控制一系列實(shí)驗(yàn)條件，如溶液的pH值、溫度和濃度等，移去溶劑將發(fā)生凝膠化。二、溶膠-凝膠法制備納米粉體材料的過程及控制（一）制備過程溶膠-凝膠法主要步驟有以下幾步：（1）制取包含金屬醇鹽和水的均相溶液，以保證醇鹽的水解反應(yīng)在分子平均的水平上進(jìn)行。（2）制備溶膠。（3）將溶膠通過陳化得到濕凝膠（4）凝膠的干燥 干燥脫水水解縮聚溶質(zhì)溶劑催化劑溶膠濕凝膠干凝膠粉

24、體凝膠化陳化熱處理溶膠凝膠法制備粉體的基本工藝過程（二）工藝控制1.溶劑的選擇2.加水量的影響3.醇鹽品種及其濃度的影響4. pH值的影響5.陳化時(shí)間的影響6.凝膠干燥條件的影響7.煅燒溫度的影響應(yīng)用五、 溶膠-凝膠法制備薄膜及涂層材料Sol-Gel法制備薄膜優(yōu)點(diǎn)：不需要PVD和CVD那樣復(fù)雜昂貴設(shè)備，具有工藝簡(jiǎn)便、設(shè)備要求低以及適合于大面積制膜，而且薄膜化學(xué)組成比較容易控制，能從分子水平上設(shè)計(jì)、剪裁等特點(diǎn)，特別適于制備多組元氧化物薄膜材料。 幾種典型醇鹽法制備薄膜的溶膠-凝膠反應(yīng)體系的組成薄膜組成薄膜組成溶膠溶膠-凝膠反應(yīng)體系的組成凝膠反應(yīng)體系的組成Y2O3Y(OC4H9)3、H2O、乙酰丙

25、酮（、乙酰丙酮（acac）、）、CH3COOH、CH3OHV2O5-TiO2 (如如FTO膜等膜等)C3H7OH、VO(OC2H5)3、Ti(OC4H9)4、H2O、乙酰丙酮、乙酰丙酮、CH3COOHSrTiO3Sr(OC2H5)2、Ti(OC4H9)4、H2O、CH3COOH、HCl、乙酰丙酮（、乙酰丙酮（acac）Li2B4O7甲醇鋰甲醇鋰(LiOCH3)、三丁醇硼、三丁醇硼B(yǎng)(OC4H9)3、H2O、HCl、CH3COOH、DMFAl2O3-SiO2 (如莫來(lái)石等如莫來(lái)石等)Si(OC2H5)4、Al(OC3H7)3、C2H5OH、H2O、HCl、CH3COOH、DMFCeO2-TiO2

26、Ti(OC4H9)4、H2O、Ce(OC2H5)3、HCl、NH4OH、CH3OH以制備Li2B4O7薄膜為例 OHCHLiOHOHLiOCH323OHHCOHBOHHOCB94323943)(3)(OHOBLiBOHLiOH274233742溶膠-凝膠法制膜工藝優(yōu)點(diǎn) （1）工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需真空條件或真空昂貴設(shè)備；（2）工藝過程溫度低，這對(duì)于制備含有易揮發(fā)組分或在高溫下易發(fā)生相分離的多元系來(lái)說尤其重要；（3）可以大面積在各種不同形狀、不同材料的基底上制備薄膜，甚至可以在粉末材料的顆粒表面制備一層包覆膜；（4）易制得均勻多組分氧化物膜，易于定量摻雜，可以有效地控制薄膜成分及微觀結(jié)構(gòu)。溶膠-凝膠

27、法制備薄膜的工藝方法 薄膜制備過程有二大關(guān)鍵環(huán)節(jié)：溶膠制備和薄膜涂覆。溶膠的配制溶膠的陳化鍍膜基板清洗干燥熱處理 溶膠-凝膠法制備薄膜的 工藝流程圖(一)基板性質(zhì)及清洗方法 1.基板性質(zhì) 2.基板的清洗方法（二）涂膜1.浸漬提拉法2.旋轉(zhuǎn)涂覆法方法：旋轉(zhuǎn)涂覆技術(shù)也稱自旋涂鍍技術(shù)，基體繞一根與涂層面垂直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)；也可以在特制的勻膠機(jī)上進(jìn)行 。薄膜的厚度：取決于溶膠的濃度和勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速?；逯睆交?qū)蔷€長(zhǎng)基板直徑或?qū)蔷€長(zhǎng)（cm）勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)/分）分）102070005000204050004000604040003500608035003000勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速參考表3.噴霧涂層噴涂法 4.電沉積法。 5.流動(dòng)涂膜技術(shù) 6.毛細(xì)管涂鍍技術(shù)