氧化锆气凝胶的制备+文献综述(3)

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通过翻阅文献资料可以了解到目前所制备出的ZrO2气凝胶的材料性能没有预期中的好，总是在某些方面的特性上与理论存在较大落差，因此，根据气凝胶自身特殊的结构特点，进一步研究ZrO2气凝胶的制备方案，探索ZrO2气凝胶凝胶效果的影响因素是目前急需研究的课题，可以在之前研究者的基础上开发出具有特殊结构和优良性能的新型功能材料，这可以作为今后的一个研究方向[3]。

1.3 氧化锆气凝胶的结构和性质

1.3.1 氧化锆气凝胶的结构

每种气凝胶的微观结构都有所差别，其结构差异形成的主要因素是制备原料及制备条件的不同，但从大的方面来看，气凝胶都是由胶体粒子或其它固体相和大量的内部孔隙构成的纳米多孔网络结构，在纳米量级的孔隙中充满的介质是气体，这是一种高分散固态材料[6]，这种特殊的海绵状多孔结构使得气凝胶具有极大的比表面积，固体相和孔隙的尺寸都很小，可达到纳米级别。气凝胶中不存在空气对流[4]，是因为气凝胶的孔径尺寸小于空气分子的平均自由程，这种结构特性决定了氧化锆气凝胶具有很好的隔热性能，可作为一种理想的保温绝热材料。氧化锆气凝胶的这些特殊的结构特征决定了其具有许多独特的性能。

氧化锆的晶型[3]包括单斜晶型、四方晶型和立方晶型，在外界温度变化时，其晶型也会相应发生转变，低温时为单斜晶型，升高温度则转变为四方晶型，继续升高温度，四方晶型向立方晶型转变，具体描述为单斜晶型加热到1170℃转变为四方晶型，再加热至2370℃则转变成立方晶型，氧化锆气凝胶的纳米孔结构会因晶型的转变而被破坏。为了提高氧化锆气凝胶的热稳定性，可进行晶型稳定化处理，这就必须调节其结构单元。

1.3.2 氧化锆气凝胶的性质

ZrO2气凝胶兼具ZrO2和气凝胶两者的双重特性，既具有ZrO2优异的热化学稳定性、高温导电性、催化性能及较好的韧性和高温强度，还具有气凝胶高孔隙率、高比表面积、低密度以及低导热系数和低折射率的特性，使得其在热学、力学、光学、声学等各个方面都得到应用，其广阔的应用前景吸引了许多研究者去制备和研究ZrO2气凝胶。

气凝胶在光学上呈现透明到半透明的变化，其结构单元小于可见波波长[20]。气凝胶的基体是由固体相粒子聚集堆叠而成的，因此其强度较低。作为世界最轻的固体，气凝胶密度极低，这是因为凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，而且其内部孔隙非常小，为纳米量级，它在航天航空方面有着不可替代的作用。由于气凝胶中中没有气体对流，气孔孔径小于气体分子的平均自由程，所以其热导率很低，可用作高温隔热材料。

1.4氧化锆气凝胶的制备及应用

1.4.1氧化锆气凝胶的制备方法

一般气凝胶的制备都是由胶凝和干燥两个环节构成。

要制备氧化锆气凝胶，首要的是确定制备的前驱体，可选的前驱体分为有机锆盐和无机锆盐，以有机锆盐为前驱体所得到的气凝胶粒径分散均匀、比表面积大且纯度高，但以有机锆盐为前驱体制备出的气凝胶的溶胶一凝胶过程相对复杂而且不易控制，还极易生成沉淀，这是因为有机锆盐具有很高的化学活性，化学性质很不稳定，从而导致实验对整个溶胶一凝胶过程中的各种条件要求十分苛刻，同时有机原料不仅易燃、有毒而且价格都比较昂贵，以有机锆盐为前驱体来制备氧化锆气凝胶不够经济和安全，不适合氧化锆气凝胶的大规模生产和应用。相对来看，以无机锆盐为前驱体比早期的有机锆盐前驱体有更大的普遍性及更高的经济价值和开发潜力，无机原料不仅价格低廉而且制备过程简单易控，适用于投入工业生产。在制备氧化锆气凝胶的实验过程可以根据实验条件和预期的实验结果来选择合适的制备方法，通过阅读文献，了解到制备气凝胶较常用的方法有沉淀法、醇水加热法、电解法、滴加环氧丙烷法等。沉淀法所用原料的成本较低而且制备工艺流程简单、易操作，但是在后期的干燥过程中极容易形成团聚，从而使得制备的气凝胶出现比表面积低、易坍塌等缺陷。醇水加热法是用醇水混合物溶解无机前驱体,源^自!751/文-论/文*网[www.751com.cn，再经过升温凝胶、老化和干燥等操作得到最终的气凝胶样品，这种方法制得的气凝胶样品细小均匀、比表面积高，但其结构的形成会受到陈化时间、锆盐浓度和醇水比等因素的较大影响。电解法是一种环保的方法，因为反应过程中的副产物可回收利用，但缺点是反应过程较缓慢。滴加环氧丙烷法是一种新方法，对制备新型气凝胶具有很大的研究意义，此方法具有制备工艺简单、反应快速、成本低廉等优点，其制备范围广泛。但胶凝环节不管使用哪种制备方法，其制备过程都属于溶胶—凝胶法，溶胶更偏向为一种“分散状态”，即分散系，分散系是由分散相和分散介质组成的，从物质角度来看，溶胶是在分散体系中保持固体物质不沉淀的胶体，分散介质是气体则为气溶胶，分散介质是水或乙醇则为水溶胶或醇溶胶，胶体粒子极小，为纳米量级，凝胶可俗称为冻胶，是溶胶失去流动性后，一种富含液体的半固态物质，液体含量极高，可达到99.5%,凝胶由溶胶发展形成。