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。