试述金属物理-化学法制备高纯金属氧化物粉体的研究现状

摘 要 金属物理-化学法是一种制备亚微米、纳米级高纯金属氧化物陶瓷粉末的新技术，随着科学技术的进步，高纯度亚微米和纳米金属氧化物及其复合粉末材料已在多个领域应用，如：陶瓷工业、电子工业、航天、军事、化工等领域。本文列举了金属物理-化学法中制备高纯度金属氧化物粉体的主要方法，介绍了直接水解活性金属粉和液态金属雾燃烧的两种方法，并从金属物理-化学法的机理、特点、适用范围、改进和完善等方面，对金属物理-化学法的现状进行了分析研究。

关键词 金属物理-化学法;高纯度金属氧化物粉体;直接水解活性金属粉;液态金属雾燃烧

1 液相化学法制备氧化陶瓷粉体的原理、优缺点

（1）原理。作为一种制备超细粉体的方法，液相化学已跃身成为材料科学技术领域的一个热门研究，它的主要原理是：将一种或多种的可溶性金属化合物，根据材料组成对其进行测定和配制，使每种元素呈现离子或分子状态;然后再将合适的沉淀器或通过水解、蒸发、燃烧、升华等一系列的步骤，将含有金属离子的化合物沉淀或结晶出来后进行氧化，经热处理后便能获得陶瓷粉末。

（2）优缺点。沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、水解法、喷雾热解法、水热法等，都是液相化学常用的方法，产物的形貌、组成和易于控制的结构形成了独居特色的液相化学法的优势，在某种意义上而言，液相化学法的应用性较广，但在产品纯度上却很难将其控制住，且其复杂的工艺，高昂的成本等都使得液相化学法在生产时，很难规模化的进行，而且还极易污染环境[1]。

2 金属物理-化学法现状研究

（1）基本概况。金属物理化学法是20世纪90年代中后期发展起来的一种新技术，它将金属雾化技术与传统的粉碎技术相结合，从而制备出高纯度的超细金属氧化物粉末。目前，该方法在直接水解活性金属粉末与液态金属喷雾燃烧中，显示出了广阔的应用前景。直接水解活性金属粉末法是利用淬火雾化技术，制备具有高氧化活性的金属或合金亚稳微粉，并进行水解反应。常压下，在100℃以下进行水解反应，会有不同结构的水合物;通过对反应产物进行不同温度的热处理，便能得到相应的亚稳态或稳定的超细陶瓷粉末。在液雾燃烧过程中，将金属放置在陶瓷坩埚熔化，当过热温度高于点火点时，再引入陶瓷雾化燃烧器中，这当中是以预热高压纯氧为雾化介质，将过热的金属熔体高效雾化，形成高温金属液雾后，立即在燃烧塔内点活燃烧而发生的快速氧化反应，便可直接生成高纯纳米金属氧化物粉末。

（2）研究机理。金属物理化学方法是一门多学科的综合性学科。上述所提到的直接水解活性金属粉和液态金属雾燃烧的两种工艺都是基于雾化技术为基础的，它涉及多个领域，如金属雾化、粉末氧化、流体力学、传热传质和陶瓷粉末等，是一个复杂的物理化学过程。直接水解活性金属粉末的机理是：利用淬火雾化技术将高氧化活性及水解反应的金属或合金制成亚稳微粉，以此来使粉末处于非平衡状态，并通过一系列的方法，使其自动发生水解反应，如：降低水解反应的活化能，加大粉末的储能和活性表面等;在此过程中，生成的氧化物粉末可以快速从金属粉末表面去除，从而制备出平均粒径在80 nm以下亚微米甚至纳米级的氧化物陶瓷粉末。液态金属喷雾燃烧的机理是：增加雾化的金属粉末的表面积，使金属粉末能充分与氧气结合、氧化燃烧，在此过程中，金属的有效雾化以及金属液雾燃烧后的强烈的挥发，使得液雾在高速流场中与表面氧化膜迅速剥离，从而得到了纳米金属氧化物。

（3）特点与适用范围。活性金属粉的直接水解和液态金属雾的燃烧都需要经过金属熔炼过程，很容易实现工业化;与常用的化学方法相比，它具有工艺短、能耗低、组成均匀、杂质可控、对环境无污染、易于规模化生产等优点，很适合制备成分均匀的多组分复合氧化物粉末，是一种制备高纯超细陶瓷粉末的新工艺。而直接水解活性金属粉末法主要适用于铝、镁等活性金属及其合金，液态金属雾燃烧法主要是利用Bi、Sn、In等熔点较低的金属及其合金，来将Bi、SnO、In2O3粉末及其复合粉末充分的制备。

（4）改进和完善的方向。由于金属物化法发展时间较短，对纳米粉体团聚稳定形成机理的研究，特别是对其机理和工艺的研究还不够深入，应用范围也不是很明确，这使得工艺和产品质量稳定性不高，易波动，影响了产品的推广和应用;因此，在反应机理和方法适用范围方面仍有许多工作要做。另外，由于物理过程和化学过程之间的联系，特别是非平衡技术应用，导致了许多新的现象出现，所以大量的工作都需要进行创新。例如，根据水解后的氧化铝凝胶为软骨料，直接水解活性铝生产高纯超细氧化铝的实际情况，开发了低温干燥、中间破碎、高温相变的工艺，制备出了粒度较浓、分散性好的alpha-al2o3粉体。

（5）发展前景。金属物理-化学方法，尤其是技术先进、新颖、无环境污染的直接水解活性金属粉和金属喷雾燃烧法两种技术，充分的将其广阔的产业化前景进一步展示了出来，根据金属物理-化学方法的趋势走向判定，其将会在不久的将来，跨身于高纯度金属氧化物亚微米和纳米陶瓷粉的清洁生产领域中去[2]。

3 结束语

总体而言，金属物理-化学方法作为一种把金属雾化技术与传统的粉碎技术相结合而形成的技术，已廣泛地被应用于多个领域并取得了一定的成效，其形式多样、便于操作、无污染等特点，使得其拥有了广阔的发展前景，虽然其在工艺生产过程中还相对的不稳定，但只要根据其的实际情况制定出相应的发展措施，在今后的发展当中，其仍具备一定的优势。

参考文献

[1] 王丹丹.TiO_2/ZnO微纳米材料及核壳结构的制备与光催化性能研究[D].北京：中国科学院大学（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所），2018.

[2] 刘博.离子液体及低共熔溶剂催化醇解PET的应用基础研究[D].北京：中国科学院大学（中国科学院过程工程研究所），2019.

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