溶胶-凝胶法是化学和材料领域中的重要制备过程，“凝胶”一词包含了各种各样的物质，如网状的中间相、无机粘土氧化物、磷脂、无序的蛋白质及三维或网络状的聚合物。凝胶-凝胶包括三种转化过程。第一种是指多糖溶液一类的可逆化凝胶过程，如琼脂及硫化橡胶，本章不讨论这些转变过程。70年代中期以来，另外两种溶胶-凝胶过程因在材料合成中的广泛应用，引起了人们的极大关注。这两种过程分别是水溶胶-凝胶及烷氧化物溶胶-凝胶过程。本节的主要内容包括胶体的早期研究及溶胶-凝胶过程在超微粉体材料制备中的应用。
一、胶体的性质
胶体的科学研究可以追溯到1845年Selmi制备氯化银溶胶，1847年又制备了普鲁士蓝溶胶，他把这两种溶胶分别称为反乳化及胶体溶液。这些体系与真溶液没，但与淀粉、但汁酸及白朊属同一类。此后，胶体的盐析效应得到广泛研究。借助于用磷还原氯化金得到的金溶胶，Faraday观察了溶胶的光散射以及盐析效应。然而，胶体一词最先则是用来描述通过渗析硅酸而获得的胶状材料，其中的硅酸是通过酸化硅酸盐溶液及有机物如橡胶、蔗糖和白朊而制得。Graham注意到这些胶粒不结晶，比各种分子的扩散力低，这些意味着胶粒有着比分子大的粒径。
目前，胶体系统定义为在分散介质中含有尺寸在1~1000nm的分散相，这些体系如表4-3所示。对溶胶来说，胶粒尺寸指粒径，而对诸如泡沫等宏观胶体体系则指薄膜厚度。
表4-3胶体体系分类
体系 分散相 分散介质
溶胶 固 液
乳胶 液 液
固体乳胶 液 固
泡沫 气 液
雾、烟、气溶胶（液体粒子） 液 气
烟、气溶胶（固体粒子） 固 气
合金、固体悬浮液 固 固
胶体通常描述为闲液的及疏液的胶体，前者包括高分子溶液，例如胶体聚合物或蛋白质的分散体，它们是热力学稳定的。然而疏液胶体，由于粒子间的吸引力及静电作用力的存在以及具有的高界面面积，常常是热力学不稳定系统。
二、正离子水解制备溶胶
金属离子MZ+具有高电荷及高电荷密度，极易水角，初始水解产物可以缩合生成多价金属离子或多核离子，它们本身就是胶粒。随PH值的提高，铝盐溶液可以形成诸如[AlO4AL12(OH)24(H2O)n]7+和[ALO4AL12（OH）25（H2O）11]6+的多核离子。 这些多核离子结构为12个ALO6八面体围绕着1个ALO4四面体。多核离子所带电荷及PH值决定了H2O、OH-或O2-是否作为中心正离子的配位体，而负离子/正离子的物质的量比通过影响双电层静电斥力控制多聚物的聚合程度以及溶胶稳定性。[（OH/M>=2）]水合金属氧化物的沉淀，通过胶溶作用转化为溶胶。在该过程中，沉淀吸附稀酸溶液中的H+，使结晶取下集体分散成小晶体进而形成溶胶时，胶粒粒度可以通过温度、浓度等参数来控制。
超微粉体的溶胶-凝胶法制备过程包括4个步骤：起始原料如金属盐通过化学反应转变为可分散的氧化物；可分散氧化物在稀酸或水中形成溶胶；溶胶脱水形成球、纤维、碎片或涂层状的干凝胶；干凝胶受热生成氧化物超微粉体。对非氧化物（碳化物及氮化物）超微粉体的制备，在溶胶阶段加入碳，于控制气氛下加热即得到含碳凝胶。利用凝胶化之前的溶胶，将其混合制备多组分氧化物超微粉体材料。
三、溶胶-凝胶法制备超微粉体材料
溶胶-凝胶法可以制备稳定的浓分散体，得到组成均匀且粒度可控的球形氧化物粉末。Hardy等人利用溶胶-凝胶法制备了氢氧化物（氢氧化镧）沉淀，并进行了陶瓷微粉制备研究。Hardy制备超微粉体的条件为：钐浓度2.3mol/L，PH值为7.0，n(No3)/n(Sm)=0.19。扫描电镜分析表明最初的沉淀是由粒度为3~6nm的无定形小球构成，这些沉淀物陈化后聚结成30~60um的棒状体，脱水、烧结后生成致密的粉末。
Woodhead等人开发了ZrO2、CeO2、TiO2等氧化物超微粉体的溶胶-凝胶制备过程，对应的超微粉体的粒度在8nm左右。在硝酸铈溶液中加入氢氧化铵-近氧化氢时，得到聚集体粒度为0.1um的氢氧化铈沉淀，加入硝酸之后沉淀分散成粒度为8nm的溶胶，表现在凝胶及氧化物的密度上。无凝聚的水合物在1000度得到致密的二氧化铈，其他分散体系在转变成凝胶及氧化物时，可以制成多孔材料。这些不致密的或聚集的溶胶，由含有大量粒子聚集体的胶体单元组成。例如，聚集与不聚集的二氧化钛溶胶可以利用它们具有的不同的光散射性质加以区分。表4-4为胶体结构对氧化物密度的影响。
表4-4胶体结构对氧化物密度的影响
热处理温度/度 密度（kg/m3）
聚集 不聚集 沉淀
干燥 14900 2590 —
400 1500 3250 2340
600 1590 3450 —
800 2640 4070 2910
1000 3730 4110 —
一、胶体的性质
胶体的科学研究可以追溯到1845年Selmi制备氯化银溶胶，1847年又制备了普鲁士蓝溶胶，他把这两种溶胶分别称为反乳化及胶体溶液。这些体系与真溶液没，但与淀粉、但汁酸及白朊属同一类。此后，胶体的盐析效应得到广泛研究。借助于用磷还原氯化金得到的金溶胶，Faraday观察了溶胶的光散射以及盐析效应。然而，胶体一词最先则是用来描述通过渗析硅酸而获得的胶状材料，其中的硅酸是通过酸化硅酸盐溶液及有机物如橡胶、蔗糖和白朊而制得。Graham注意到这些胶粒不结晶，比各种分子的扩散力低，这些意味着胶粒有着比分子大的粒径。
目前，胶体系统定义为在分散介质中含有尺寸在1~1000nm的分散相，这些体系如表4-3所示。对溶胶来说，胶粒尺寸指粒径，而对诸如泡沫等宏观胶体体系则指薄膜厚度。
表4-3胶体体系分类
体系 分散相 分散介质
溶胶 固 液
乳胶 液 液
固体乳胶 液 固
泡沫 气 液
雾、烟、气溶胶（液体粒子） 液 气
烟、气溶胶（固体粒子） 固 气
合金、固体悬浮液 固 固
胶体通常描述为闲液的及疏液的胶体，前者包括高分子溶液，例如胶体聚合物或蛋白质的分散体，它们是热力学稳定的。然而疏液胶体，由于粒子间的吸引力及静电作用力的存在以及具有的高界面面积，常常是热力学不稳定系统。
二、正离子水解制备溶胶
金属离子MZ+具有高电荷及高电荷密度，极易水角，初始水解产物可以缩合生成多价金属离子或多核离子，它们本身就是胶粒。随PH值的提高，铝盐溶液可以形成诸如[AlO4AL12(OH)24(H2O)n]7+和[ALO4AL12（OH）25（H2O）11]6+的多核离子。 这些多核离子结构为12个ALO6八面体围绕着1个ALO4四面体。多核离子所带电荷及PH值决定了H2O、OH-或O2-是否作为中心正离子的配位体，而负离子/正离子的物质的量比通过影响双电层静电斥力控制多聚物的聚合程度以及溶胶稳定性。[（OH/M>=2）]水合金属氧化物的沉淀，通过胶溶作用转化为溶胶。在该过程中，沉淀吸附稀酸溶液中的H+，使结晶取下集体分散成小晶体进而形成溶胶时，胶粒粒度可以通过温度、浓度等参数来控制。
超微粉体的溶胶-凝胶法制备过程包括4个步骤：起始原料如金属盐通过化学反应转变为可分散的氧化物；可分散氧化物在稀酸或水中形成溶胶；溶胶脱水形成球、纤维、碎片或涂层状的干凝胶；干凝胶受热生成氧化物超微粉体。对非氧化物（碳化物及氮化物）超微粉体的制备，在溶胶阶段加入碳，于控制气氛下加热即得到含碳凝胶。利用凝胶化之前的溶胶，将其混合制备多组分氧化物超微粉体材料。
三、溶胶-凝胶法制备超微粉体材料
溶胶-凝胶法可以制备稳定的浓分散体，得到组成均匀且粒度可控的球形氧化物粉末。Hardy等人利用溶胶-凝胶法制备了氢氧化物（氢氧化镧）沉淀，并进行了陶瓷微粉制备研究。Hardy制备超微粉体的条件为：钐浓度2.3mol/L，PH值为7.0，n(No3)/n(Sm)=0.19。扫描电镜分析表明最初的沉淀是由粒度为3~6nm的无定形小球构成，这些沉淀物陈化后聚结成30~60um的棒状体，脱水、烧结后生成致密的粉末。
Woodhead等人开发了ZrO2、CeO2、TiO2等氧化物超微粉体的溶胶-凝胶制备过程，对应的超微粉体的粒度在8nm左右。在硝酸铈溶液中加入氢氧化铵-近氧化氢时，得到聚集体粒度为0.1um的氢氧化铈沉淀，加入硝酸之后沉淀分散成粒度为8nm的溶胶，表现在凝胶及氧化物的密度上。无凝聚的水合物在1000度得到致密的二氧化铈，其他分散体系在转变成凝胶及氧化物时，可以制成多孔材料。这些不致密的或聚集的溶胶，由含有大量粒子聚集体的胶体单元组成。例如，聚集与不聚集的二氧化钛溶胶可以利用它们具有的不同的光散射性质加以区分。表4-4为胶体结构对氧化物密度的影响。
表4-4胶体结构对氧化物密度的影响
热处理温度/度 密度（kg/m3）
聚集 不聚集 沉淀
干燥 14900 2590 —
400 1500 3250 2340
600 1590 3450 —
800 2640 4070 2910
1000 3730 4110 —
