氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷（alumina ceramics）是一种以α- Al2O3为主晶的陶瓷材料。其Al2O3含量一般在75～99.99%之间。通常习惯以配料中Al2O3的含量来分类。Al2O3含量在75%左右的为“75瓷“，含量在85%左右的为“85瓷“，含量在95%左右的为“95瓷“，含量在99%左右的为“99瓷“。
      工业Al2O3是由铝钒土（Al2O3·3H2O）和硬水铝石制备的，对于纯度要求不高的，一般通过化学方法来制备。电熔刚玉即是用上述原料加碳在电弧炉内于2000～2400C熔融制得，也称人造刚玉。

       Al2O3有许多同质异晶体。根据研究报道过的变体有十多种，但主要有三种，即γ- Al2O3，β- Al2O3，α- Al2O3。Al2O3的晶体转化关系如下图，其结构不同，因此其性质也不同，在1300度以上的高温几乎完全转变为α- Al2O3。

        γ- Al2O3，属尖晶石型（立方）结构，氧原子形呈立方密堆积，铝原子填充在间隙中。它的密度小。且高温下不稳定，机电性能差，在自然界中不存在。由于是松散结构，因此可利用它来制造多孔特殊用途材料。

        β- Al2O3是一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物。它的化学组成可以近似地用RO·6 Al2O3和R2O·11 Al2O3来表示（RO指碱土金属氧化物，R2O指碱金属氧化物），其结构由碱金属或碱土金属离子如[NaO]ˉ层和[Al11O12]＋类型尖晶石单元交叠堆积而成，氧离子排列成立方密堆积，Na＋完全包含在垂直于C轴的松散堆积平面内，在这个平面内可以很快扩散，呈现离子型导电。

        α- Al2O3，属三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体，在自然办只存在α- Al2O3，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。α- Al2O3结构最紧密、活性低、高温稳定。它是三种形态中最稳定的晶型，电学性质最好，具有优良的机电性能。

Al2O3中的化学键是离子键，离子键也称“电价键”，它是由金属原子失去外层电子形成正离子，非金属原子取得电子形成负离子，互相结合形成的。离子键是依靠正负离子间静电引力所产生的化学键，它没有方向性也没有饱和性。A Al2O3陶瓷属于氧化物晶体结构 ， 氧化物结构的结合键以离子键为主，它的分子式通常以AmXn表示。A(或者B)表示与氧结合的正离子，n为离子数，x表示氧离子，n表示它的数量。大多数氧化物中的氧离子半径大于正离子的半径。所以它们的结构是以大直径的氧离子密堆排列的骨架，组成六方或面心立方点阵，小直径的正离子嵌入骨架的间隙处。这种陶瓷材料具有高的硬度和熔点。

陶瓷体的相组成中，晶相相对含量波动范围很大，通常特种陶瓷中晶相体相对含量较高。晶相对陶瓷材料性质有很大的影响。表中列出了一般陶瓷到特种陶瓷中的刚玉相(α- Al2O3)含量的变化及表现出的性能差异。

Al2O3含量变化对陶瓷性能影响

陶瓷的许多性质明显地取决于气孔的数量、大小及分布。陶瓷中气孔分为开门气孔和闭口气孔。在坯料烧结前大都是开口气孔，烧结后开口气孔减少、消失或转变为闭口气孔。开口气孔使陶瓷的气密性下降、化学腐蚀性增加。气孔使陶瓷材料的导热率下降、介电损耗增大、抗电击穿强度降低。气孔还可以使光线散射而降低陶瓷的透明度。气孔又是应力集中的地方，在受到外界载荷作用时可能直接成为裂纹，使陶瓷材料的强度性能明显下降。在氢气氛下烧结时，由于氢原子半径很小，易于扩散并有利于闭口气孔的消除。在氧化铝中添加0．25 的氧化镁，于氢气氛下烧结可得到近于理论密度的烧结体。

玻璃相的含量对Al2O3陶瓷的生产和质量有重要影响。

玻璃相在Al2O3陶瓷坯中起了黏结作用，它把分散的晶相黏结在一起．可填充陶瓷中的气孔空隙，使陶瓷材料致密。玻璃相还能抑制晶体的长大，防止晶体的晶型在温度变化时产生转变。

玻璃相在陶瓷中也存在负面影响。它的力学性能比晶相要低，而且热稳定性也差，在较低的温度下便会开始软化。玻璃相结构较疏松，常会在结构的空隙中充填一些金属离子。这样，在电场作用下，很容易产生极化，使陶瓷材料绝缘性能下降，介电损耗增加。

氧化铝陶瓷的微观结构决定了它必将具有一系列的优点，比如：

氧化铝陶瓷材料具有优良的绝缘性，高频损耗小，高频绝缘性好的特点；

氧化铝陶瓷不燃、不锈，坚固不易损坏，有着其它有机材料和金属材料不可比拟的优良性质。

氧化铝陶瓷耐磨性，其硬度与刚玉相同，达到莫氏硬度九级，耐磨性与超硬合金相匹敌。

氧化铝陶瓷的耐热性，具有热膨胀系数小，机械强度大，热传导率好等特点。

氧化铝陶瓷具有耐化学腐蚀性和熔融金属性等特点。

基于以上的种种优点，氧化铝陶瓷被广泛应用于各个领域。

　在电子工业中的应用

　　（1）多芯片式封装用陶瓷多层基板：十年来已成功地用于计算机半导体芯片的封装，不仅使计算机的性能提高了十多倍，而价格也大幅度连续下降。这是由于实现了高密度封装，缩短了芯片本身的信号传输时间。封装用的氧化铝陶瓷多层基板的制造方法有厚膜印刷法、生坯叠片法、生坯印刷法、厚薄膜混合法等四种。

　　（2）高压钠灯发光管：由多晶不透明的氧化铝所形成的氧化铝透明体，应用于高压钠灯发光管，照明效率为水银灯的两倍，从而开拓了提

高照明效率的新途径。透明氧化铝精细陶瓷不仅能透光，而且具有耐高温、耐腐蚀、高绝缘、高强度、介质损耗小等性能，是一种优良的光学陶瓷，还可作微波炉窗等。

　　（3）氧化铝陶瓷传感器：用氧化铝陶瓷的晶粒、晶界、气孔等结构特征和特性作敏感元件，用于高温和含腐蚀性气体的环境中，使检测、

控制的信息准确而迅速。从应用的类型看，有温度、气体、温度等传感器。目前需急待解决的问题是互换性、选择性，从单个传感器发展到复合传感器和多功能传感器。

　　耐热结构材料

　　随着航天技术的发展，氧化铝纤维、晶须及复合材料，是引人注目的高性能防热、绝热材料之一。

　　（1）航天飞机的热防护系统：航天飞机在返回与再入过程中，对热防护系统提出了更高的要求。美国洛克希德导弹宇航公司认为，氧化铝纤维是最有希望的材料之一。由氧化铝纤维构成的复合材料已用作导弹头锥、喷管，航天飞机头部和机翼前缘，并在民航飞机刹车材料中得到应用。

　　（2）新的高温陶瓷纤维：最新发展了一种氧化铝--氧化锆陶瓷纤维，使材料的强度和韧性得到提高。拉伸强度超过2100Mpa，在1400℃空气中暴露100小时后，在室温仍保持1400Mpa的拉伸强度。这种复合材料可用于火箭发动机喷管的喉部衬垫、尾部喷管的绝热材料。

　　（3）α- Al2O3晶须：密度为3.9g/cm3，强度在已知的晶须材料中是最大的，可达13800~27600 Mpa，模量（6.9~2.4）×103Mpa；而氧化铝纤维（直径3μm）的密度是3.2g/cm3，强度2600Mpa，模量2.5×103Mpa。由此可见，Al2O3晶须具有比纤维更高的强度及模量，且晶须增强复合材料的制造工艺比较简单。所以，发展晶须增强复合材料也属方向之一。

　　（4）氧化铝空心球：氧化铝空心球不仅保留了耐高温的优点，而且还有体积密度小，导热系数低，在高温下体积不收缩、抗火焰冲刷的特点。若与同类致密制品比较，体积密度可降低50~60%，导热系统和蓄热量可降低一半，使用温度为1600~1800℃，是用作高温窑炉的理想结构材料。节能效果在20%以上，空心球制品能使窑炉升温容易、降温快、一般可缩短生产周期三分之一左右。

　　氧化铝陶瓷刀具

　　氧化铝的硬度（Hr）为2700~3000，杨氏模量（kg/mm2）35000~41000。导热系数0.75~1.35×103J/m?h?℃，热膨胀系数8.5×10-6/℃（室温~1000℃）。人们在利用这些特性的同时，又开发了Al2O3~TiO2，Al2O3-ZrO2系陶瓷，以改善氧化铝陶瓷刀具的韧性和耐热冲击性，适应高速切削的需要。

　　Al2O3的粒度组成在烧结过程中氧化铝晶粒度的控制是决定刀具质量的重要环节，若采用高温等静压烧结（HIP），可使晶粒度为0.3~0.5微米。氧化铝刀具的抗折强度可提高到900~1000MPa。

　　氧化铝精细陶瓷在化学工业中的应用

　　随着石油精制、石油化学的发展，金属氧化物大量用作固体催化剂，特别是70年代后，氧化铝陶瓷在化工中的作用显得特别突出，例如，重油氢化裂解、处理汽车的排气、从排烟中除去NOx、接触燃烧催化剂等等。目前我国铝行业及一些陶瓷厂家已开发一系列新产品，这里只简要地介绍催化剂载休及多孔氧化铝陶瓷。

　　（1）催化剂载体：主要是利用氧化铝良好的孔径分布、较高的孔容、大的表面积（60~400m2/g）、多种晶型的特异功能。氧化铝已作为铂、钯、钴、锰、铁、镍、钒等化合物的载体，构成氧化一还原、酸碱催化作用。常用的材料结构有粒状载体（园柱状、球状、三叶形）、整体结构（蜂窝状陶瓷、多孔陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维）。目前正研究将氧化铝用作高温反应的催化剂载体，制取单一晶型具有择优催化作用的新型材料，η- Al2O3的应用正在开发。

　　（2）氧化铝多孔体陶瓷：用于电解隔膜、细菌过滤、分离、分散、吸收机能的过滤器件。氧化铝陶瓷的孔径在15~200μm。使用氧化铝陶瓷过滤器能形成稳定的过滤膜且厚度均一。特别是食品行业，要进行热态杀菌作业，用氧化铝的陶瓷器件是最合适的。蜂窝状氧化铝多孔体陶瓷，是当前应用的方向，用于多种排气的净化、触媒载体、菌体固定化、人体血液排毒净化等。

　　氧化铝陶瓷机械零件

　　氧化铝陶瓷机械零件在化学工业上应用较早，多年来有很大发展，特别是耐酸泵、阀门等部件，常应用在盐酸、硫酸、硝酸工业中。改性后的氧化铝陶瓷有可能在燃气轮机、发动机中得到应用；用等离子喷涂氧化铝于多种机件表面，正在得到应用。它可以提高热机工作温度、节约战略物资，避免环境污染。

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