試述金屬物理-化學法制備高純金屬氧化物粉體的研究現狀

梁炳聯

摘 要 金屬物理-化學法是一種制備亞微米、納米級高純金屬氧化物陶瓷粉末的新技術，隨著科學技術的進步，高純度亞微米和納米金屬氧化物及其復合粉末材料已在多個領域應用，如：陶瓷工業、電子工業、航天、軍事、化工等領域。本文列舉了金屬物理-化學法中制備高純度金屬氧化物粉體的主要方法，介紹了直接水解活性金屬粉和液態金屬霧燃燒的兩種方法，并從金屬物理-化學法的機理、特點、適用范圍、改進和完善等方面，對金屬物理-化學法的現狀進行了分析研究。

關鍵詞 金屬物理-化學法;高純度金屬氧化物粉體;直接水解活性金屬粉;液態金屬霧燃燒

1液相化學法制備氧化陶瓷粉體的原理、優缺點

（1）原理。作為一種制備超細粉體的方法，液相化學已躍身成為材料科學技術領域的一個熱門研究，它的主要原理是：將一種或多種的可溶性金屬化合物，根據材料組成對其進行測定和配制，使每種元素呈現離子或分子狀態;然后再將合適的沉淀器或通過水解、蒸發、燃燒、升華等一系列的步驟，將含有金屬離子的化合物沉淀或結晶出來后進行氧化，經熱處理后便能獲得陶瓷粉末。

（2）優缺點。沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法、水解法、噴霧熱解法、水熱法等，都是液相化學常用的方法，產物的形貌、組成和易于控制的結構形成了獨居特色的液相化學法的優勢，在某種意義上而言，液相化學法的應用性較廣，但在產品純度上卻很難將其控制住，且其復雜的工藝，高昂的成本等都使得液相化學法在生產時，很難規模化的進行，而且還極易污染環境[1]。

2金屬物理-化學法現狀研究

（1）基本概況。金屬物理化學法是20世紀90年代中后期發展起來的一種新技術，它將金屬霧化技術與傳統的粉碎技術相結合，從而制備出高純度的超細金屬氧化物粉末。目前，該方法在直接水解活性金屬粉末與液態金屬噴霧燃燒中，顯示出了廣闊的應用前景。直接水解活性金屬粉末法是利用淬火霧化技術，制備具有高氧化活性的金屬或合金亞穩微粉，并進行水解反應。常壓下，在100℃以下進行水解反應，會有不同結構的水合物;通過對反應產物進行不同溫度的熱處理，便能得到相應的亞穩態或穩定的超細陶瓷粉末。在液霧燃燒過程中，將金屬放置在陶瓷坩堝熔化，當過熱溫度高于點火點時，再引入陶瓷霧化燃燒器中，這當中是以預熱高壓純氧為霧化介質，將過熱的金屬熔體高效霧化，形成高溫金屬液霧后，立即在燃燒塔內點活燃燒而發生的快速氧化反應，便可直接生成高純納米金屬氧化物粉末。

（2）研究機理。金屬物理化學方法是一門多學科的綜合性學科。上述所提到的直接水解活性金屬粉和液態金屬霧燃燒的兩種工藝都是基于霧化技術為基礎的，它涉及多個領域，如金屬霧化、粉末氧化、流體力學、傳熱傳質和陶瓷粉末等，是一個復雜的物理化學過程。直接水解活性金屬粉末的機理是：利用淬火霧化技術將高氧化活性及水解反應的金屬或合金制成亞穩微粉，以此來使粉末處于非平衡狀態，并通過一系列的方法，使其自動發生水解反應，如：降低水解反應的活化能，加大粉末的儲能和活性表面等;在此過程中，生成的氧化物粉末可以快速從金屬粉末表面去除，從而制備出平均粒徑在80 nm以下亞微米甚至納米級的氧化物陶瓷粉末。液態金屬噴霧燃燒的機理是：增加霧化的金屬粉末的表面積，使金屬粉末能充分與氧氣結合、氧化燃燒，在此過程中，金屬的有效霧化以及金屬液霧燃燒后的強烈的揮發，使得液霧在高速流場中與表面氧化膜迅速剝離，從而得到了納米金屬氧化物。

（3）特點與適用范圍。活性金屬粉的直接水解和液態金屬霧的燃燒都需要經過金屬熔煉過程，很容易實現工業化;與常用的化學方法相比，它具有工藝短、能耗低、組成均勻、雜質可控、對環境無污染、易于規模化生產等優點，很適合制備成分均勻的多組分復合氧化物粉末，是一種制備高純超細陶瓷粉末的新工藝。而直接水解活性金屬粉末法主要適用于鋁、鎂等活性金屬及其合金，液態金屬霧燃燒法主要是利用Bi、Sn、In等熔點較低的金屬及其合金，來將Bi、SnO、In2O3粉末及其復合粉末充分的制備。

（4）改進和完善的方向。由于金屬物化法發展時間較短，對納米粉體團聚穩定形成機理的研究，特別是對其機理和工藝的研究還不夠深入，應用范圍也不是很明確，這使得工藝和產品質量穩定性不高，易波動，影響了產品的推廣和應用;因此，在反應機理和方法適用范圍方面仍有許多工作要做。另外，由于物理過程和化學過程之間的聯系，特別是非平衡技術應用，導致了許多新的現象出現，所以大量的工作都需要進行創新。例如，根據水解后的氧化鋁凝膠為軟骨料，直接水解活性鋁生產高純超細氧化鋁的實際情況，開發了低溫干燥、中間破碎、高溫相變的工藝，制備出了粒度較濃、分散性好的alpha-al2o3粉體。

（5）發展前景。金屬物理-化學方法，尤其是技術先進、新穎、無環境污染的直接水解活性金屬粉和金屬噴霧燃燒法兩種技術，充分的將其廣闊的產業化前景進一步展示了出來，根據金屬物理-化學方法的趨勢走向判定，其將會在不久的將來，跨身于高純度金屬氧化物亞微米和納米陶瓷粉的清潔生產領域中去[2]。

3結束語

總體而言，金屬物理-化學方法作為一種把金屬霧化技術與傳統的粉碎技術相結合而形成的技術，已廣泛地被應用于多個領域并取得了一定的成效，其形式多樣、便于操作、無污染等特點，使得其擁有了廣闊的發展前景，雖然其在工藝生產過程中還相對的不穩定，但只要根據其的實際情況制定出相應的發展措施，在今后的發展當中，其仍具備一定的優勢。

參考文獻

[1] 王丹丹.TiO_2/ZnO微納米材料及核殼結構的制備與光催化性能研究[D].北京：中國科學院大學（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所），2018.

[2] 劉博.離子液體及低共熔溶劑催化醇解PET的應用基礎研究[D].北京：中國科學院大學（中國科學院過程工程研究所），2019.