溶胶-凝胶法
液体凝成凝胶，然后干燥并焙烧
溶胶-凝胶法用液体而不是熔体或粉末来制造玻璃和陶瓷。微小颗粒在液体中形成，连成果冻般的凝胶，凝胶再经干燥和温和加热变成固体。一些相机镜头上的增透膜，以及用作隔热材料的幽幽蓝色气凝胶，就是这样做的。
工作原理
制备溶胶。 含金属或硅的液体化学品（如 TEOS，一种硅化合物）与水、酒精和少量酸或碱混合。反应形成几纳米大小的颗粒，得到溶胶：一种悬浮着微小固体颗粒的液体。
成形。 溶胶仍是液体时，可以浸涂或旋涂到零件上、喷涂、浇入模具，或拉成纤维。
让它凝胶。 颗粒连成贯穿整个体积的网络，把液体困在其中，就像明胶凝固。这需要几分钟到几天；放置更久（陈化）会使网络更强。
干燥。 缓慢蒸发把网络拉紧，所以凝胶收缩成致密的玻璃状干凝胶，操之过急就会开裂。在液体的临界点以上干燥（超临界干燥，此时没有表面张力）能让网络保持开放，得到大部分是空气的气凝胶。
焙烧。 加热到通常 400–1,200 °C，烧掉残留的有机物，并把孔隙烧结封闭，得到致密的玻璃、陶瓷或硬质涂层。这远低于熔化石英玻璃所需的约 1,700 °C。气凝胶常常不经焙烧就使用。
关键数据
- 材料
- 二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化铝和混合氧化物；玻璃与塑料的杂化材料
- 典型零件
- 光学和增透涂层、保护膜、气凝胶隔热材料、精细陶瓷粉末、纤维
- 零件尺寸
- 薄膜厚度从几纳米到几微米，可涂在几乎任何尺寸的零件上；实心件通常只有几厘米大，因为大件在干燥时会开裂
- 精度
- 薄膜厚度可控制到大约几十纳米
- 表面质量
- 非常光滑、光学透明的薄膜
- 适合的批量
- 从单个实验室样品到玻璃的连续涂覆生产线
- 模具与设备成本
- 涂层成本低：玻璃器皿以及浸涂机或旋涂机几千美元起；超临界干燥设备贵得多
- 速度
- 涂覆需要几分钟；凝胶需要几小时到几天；干燥实心件可能要几天
优点与局限
优点
- 与熔化玻璃或烧结粉末相比，温度低
- 材料非常纯净、均匀，在分子水平上混合
- 在玻璃、金属或塑料上容易做出薄而均匀的涂层
- 能做出气凝胶这类独特产品，那是人类制造的最轻的固体
局限
- 大块实心件在干燥时会开裂
- 收缩很大，往往超过一半的体积
- 化学品（金属醇盐、溶剂）昂贵，有些易燃
- 慢：凝胶和干燥需要几小时到几天
应用领域
- 光学镜片和玻璃上的增透膜和滤光膜
- 建筑与能源气凝胶隔热毯、太阳能玻璃上的涂层
- 电子与传感器氧化物薄膜、气体和湿度传感器
- 保护涂层金属和塑料上的抗划伤、耐腐蚀薄膜
- 空间科学气凝胶尘埃收集器，比如 NASA 星尘号任务上的
- 陶瓷与催化剂非常细而纯的粉末和多孔催化剂载体
如何识别
- 薄涂层因光的干涉而显出淡淡的彩虹色或蓝色调，像肥皂泡一样。
- 增透镜片倾斜时看起来略带颜色，反射的光很少。
- 气凝胶看起来像凝固的蓝色烟雾，摸起来几乎没有重量。
- 空气干燥的块体很小，可能有细小的裂纹。
对比
观看
University of California Television (UCTV) · 实验室专家讲解溶胶-凝胶化学，并现场演示最初几步（约从 5:00 开始）
NileRed · 在家里完成的整个流程：混合、凝胶、溶剂置换、超临界干燥
nottinghamscience · 特殊的干燥步骤是如何进行的
Veritasium · 成品气凝胶是什么样，有什么用途
查看实拍照片
- 维基百科：溶胶-凝胶法 — 从溶胶到薄膜、干凝胶和气凝胶的工艺示意图
- 维基共享资源图片搜索
记住
- 溶胶-凝胶法用液体做出固体：先溶胶，再凝胶，然后干燥，最后焙烧。
- 它在低温下工作，所以非常适合薄涂层和高纯材料。
- 怎样干燥凝胶决定了结果：是致密的干凝胶，还是轻如羽毛的气凝胶。
