試述金屬物理-化學(xué)法制備高純金屬氧化物粉體的研究現(xiàn)狀

梁炳聯(lián)

摘 要 金屬物理-化學(xué)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(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高純度亞微米和納米金屬氧化物及其復(fù)合粉末材料已在多個領(lǐng)域應(yīng)用，如：陶瓷工業(yè)、電子工業(yè)、航天、軍事、化工等領(lǐng)域。本文列舉了金屬物理-化學(xué)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(tài)金屬霧燃燒的兩種方法，并從金屬物理-化學(xué)法的機(jī)理、特點(diǎn)、適用范圍、改進(jìn)和完善等方面，對金屬物理-化學(xué)法的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞 金屬物理-化學(xué)法;高純度金屬氧化物粉體;直接水解活性金屬粉;液態(tài)金屬霧燃燒

1液相化學(xué)法制備氧化陶瓷粉體的原理、優(yōu)缺點(diǎn)

（1）原理。作為一種制備超細(xì)粉體的方法，液相化學(xué)已躍身成為材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)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(jù)材料組成對其進(jìn)行測定和配制，使每種元素呈現(xiàn)離子或分子狀態(tài);然后再將合適的沉淀器或通過水解、蒸發(fā)、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(jié)晶出來后進(jìn)行氧化，經(jīng)熱處理后便能獲得陶瓷粉末。

（2）優(yōu)缺點(diǎn)。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(xué)常用的方法，產(chǎn)物的形貌、組成和易于控制的結(jié)構(gòu)形成了獨(dú)居特色的液相化學(xué)法的優(yōu)勢，在某種意義上而言，液相化學(xué)法的應(yīng)用性較廣，但在產(chǎn)品純度上卻很難將其控制住，且其復(fù)雜的工藝，高昂的成本等都使得液相化學(xué)法在生產(chǎn)時，很難規(guī)?；倪M(jìn)行，而且還極易污染環(huán)境[1]。

2金屬物理-化學(xué)法現(xiàn)狀研究

（1）基本概況。金屬物理化學(xué)法是20世紀(jì)90年代中后期發(fā)展起來的一種新技術(shù)，它將金屬霧化技術(shù)與傳統(tǒng)的粉碎技術(shù)相結(jié)合，從而制備出高純度的超細(xì)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(tài)金屬噴霧燃燒中，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。直接水解活性金屬粉末法是利用淬火霧化技術(shù)，制備具有高氧化活性的金屬或合金亞穩(wěn)微粉，并進(jìn)行水解反應(yīng)。常壓下，在100℃以下進(jìn)行水解反應(yīng)，會有不同結(jié)構(gòu)的水合物;通過對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行不同溫度的熱處理，便能得到相應(yīng)的亞穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)定的超細(xì)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(dāng)過熱溫度高于點(diǎn)火點(diǎn)時，再引入陶瓷霧化燃燒器中，這當(dāng)中是以預(yù)熱高壓純氧為霧化介質(zhì)，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(nèi)點(diǎn)活燃燒而發(fā)生的快速氧化反應(yīng)，便可直接生成高純納米金屬氧化物粉末。

（2）研究機(jī)理。金屬物理化學(xué)方法是一門多學(xué)科的綜合性學(xué)科。上述所提到的直接水解活性金屬粉和液態(tài)金屬霧燃燒的兩種工藝都是基于霧化技術(shù)為基礎(chǔ)的，它涉及多個領(lǐng)域，如金屬霧化、粉末氧化、流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)和陶瓷粉末等，是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程。直接水解活性金屬粉末的機(jī)理是：利用淬火霧化技術(shù)將高氧化活性及水解反應(yīng)的金屬或合金制成亞穩(wěn)微粉，以此來使粉末處于非平衡狀態(tài)，并通過一系列的方法，使其自動發(fā)生水解反應(yīng)，如：降低水解反應(yīng)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(tài)金屬噴霧燃燒的機(jī)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(jié)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(qiáng)烈的揮發(fā)，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(diǎn)與適用范圍?；钚越饘俜鄣闹苯铀夂鸵簯B(tài)金屬霧的燃燒都需要經(jīng)過金屬熔煉過程，很容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化;與常用的化學(xué)方法相比，它具有工藝短、能耗低、組成均勻、雜質(zhì)可控、對環(huán)境無污染、易于規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，很適合制備成分均勻的多組分復(fù)合氧化物粉末，是一種制備高純超細(xì)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(tài)金屬霧燃燒法主要是利用Bi、Sn、In等熔點(diǎn)較低的金屬及其合金，來將Bi、SnO、In2O3粉末及其復(fù)合粉末充分的制備。

（4）改進(jìn)和完善的方向。由于金屬物化法發(fā)展時間較短，對納米粉體團(tuán)聚穩(wěn)定形成機(jī)理的研究，特別是對其機(jī)理和工藝的研究還不夠深入，應(yīng)用范圍也不是很明確，這使得工藝和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性不高，易波動，影響了產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用;因此，在反應(yīng)機(jī)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(xué)過程之間的聯(lián)系，特別是非平衡技術(shù)應(yīng)用，導(dǎo)致了許多新的現(xiàn)象出現(xiàn)，所以大量的工作都需要進(jìn)行創(chuàng)新。例如，根據(jù)水解后的氧化鋁凝膠為軟骨料，直接水解活性鋁生產(chǎn)高純超細(xì)氧化鋁的實(shí)際情況，開發(fā)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(fā)展前景。金屬物理-化學(xué)方法，尤其是技術(shù)先進(jìn)、新穎、無環(huán)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(shù)，充分的將其廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景進(jìn)一步展示了出來，根據(jù)金屬物理-化學(xué)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(chǎn)領(lǐng)域中去[2]。

3結(jié)束語

總體而言，金屬物理-化學(xué)方法作為一種把金屬霧化技術(shù)與傳統(tǒng)的粉碎技術(shù)相結(jié)合而形成的技術(shù)，已廣泛地被應(yīng)用于多個領(lǐng)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(diǎn)，使得其擁有了廣闊的發(fā)展前景，雖然其在工藝生產(chǎn)過程中還相對的不穩(wěn)定，但只要根據(jù)其的實(shí)際情況制定出相應(yīng)的發(fā)展措施，在今后的發(fā)展當(dāng)中，其仍具備一定的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 王丹丹.TiO_2/ZnO微納米材料及核殼結(jié)構(gòu)的制備與光催化性能研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)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(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院過程工程研究所），2019.