中國(guó)粉體網(wǎng)訊  氧化鋁陶瓷是目前世界上產(chǎn)量較高，應(yīng)用較為廣泛的一種陶瓷材料。一向“變化多端”的氧化鋁擁有大約十幾種的同質(zhì)異晶體，目前常見(jiàn)和廣泛應(yīng)用的就是α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃，其中α-Al₂O₃是最為穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)最為緊密的。

α-Al₂O₃的晶體結(jié)構(gòu)為氧離子按照密排六方排列，其2/3的八面體間隙被鋁離子所占據(jù)。α相為高溫穩(wěn)定晶型，熔點(diǎn)為2050℃，不溶于酸和堿，其余的都屬于不穩(wěn)定的過(guò)渡晶型，他們?cè)诟邷叵伦罱K都轉(zhuǎn)變成α相。

α-Al₂O₃晶體結(jié)構(gòu)圖

α-Al₂O₃陶瓷因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能使其成為世界上用途最為廣泛的陶瓷之一，廣泛的應(yīng)用于在研磨材料、拋光材料、耐火材料等方面。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，高純?chǔ)?Al₂O₃陶瓷在電路基板、電極共燒方面的需求與日俱增。

α-Al₂O₃在陶瓷領(lǐng)域中的應(yīng)用

性能優(yōu)異的α-Al₂O₃陶瓷的制備前提是擁有性能優(yōu)異的α-Al₂O₃粉體，傳統(tǒng)的α-Al₂O₃粉體合成溫度比較高，一般在1100℃以上。由于煅燒溫度比較高，制備的α-Al₂O₃粉體顆粒比較粗大，團(tuán)聚程度比較嚴(yán)重，相應(yīng)的制備的α-Al₂O₃陶瓷體燒結(jié)溫度較高，燒結(jié)活性較差。因此降低α-Al₂O₃粉體制備溫度就成為制備高燒結(jié)活性α-Al₂O₃陶瓷體的關(guān)鍵。

降低α-Al2O3粉體制備溫度的途徑

值得注意的是，α-Al₂O₃的產(chǎn)業(yè)化，無(wú)論是功能化α-Al₂O₃、還是基礎(chǔ)型α-Al₂O₃，它的制備溫度較高，會(huì)導(dǎo)致較大的耗能。成核激活能的降低瓶頸技術(shù)需通過(guò)助劑輔助，設(shè)備和原料的創(chuàng)新及優(yōu)化等方式進(jìn)行攻克。降低α-Al₂O₃粉體制備溫度的方法有很多種，主要有加入納米α-Al₂O₃籽晶以及礦化劑，另外還有球磨等。

1、納米α-Al₂O₃籽晶的影響

在前驅(qū)體中加入納米α-Al₂O₃籽晶是降低α-Al₂O₃粉體合成溫度的一種較為常見(jiàn)的方法。籽晶的加入可以降低α-Al₂O₃的成核勢(shì)壘并且大幅度提高了α相在過(guò)渡相中的成核密度，在較低的溫度下前驅(qū)體就可以轉(zhuǎn)化為氧化鋁。籽晶的種類(lèi)有很多種，研究表明，氧化鋅也可以作為籽晶來(lái)降低α-Al₂O₃粉體的合成溫度。氧化鋅作為籽晶對(duì)氧化鋁的α相變有促進(jìn)作用，添加5%含量的氧化鋅籽晶在1100℃就可以制備α-Al₂O₃粉體。

2、礦化劑的影響

礦化劑的作用是控制陶瓷化合物結(jié)晶并且阻止晶粒異常長(zhǎng)大。在氧化鋁粉體制備過(guò)程中加入礦化劑可以增加過(guò)渡相到α相的傳輸，適當(dāng)?shù)募尤氲V化劑可以降低α-Al₂O₃粉體的制備溫度。Yamai等人發(fā)現(xiàn)前驅(qū)體中加入礦化劑氟化鋁，可以降低α-Al₂O₃粉體的合成溫度400℃。

常用的礦化劑有硼酸、氯化銨、氟化物（如氟化鋁、氟化鈣、氟化銨等），添加礦化劑不僅能加快轉(zhuǎn)化速度和降低轉(zhuǎn)化溫度，還能降低產(chǎn)品中Na2O的含量，這也是常用上述幾種添加劑的主要原因。

3、高能球磨

陶瓷材料塑性較差，在機(jī)械球磨過(guò)程中，陶瓷粉體經(jīng)過(guò)粉碎、剪切等作用，晶粒迅速細(xì)化，化學(xué)活性急劇升高。有些陶瓷粉體在很輕微的球磨作用下就可以發(fā)生相變反應(yīng)，獲得常溫亞穩(wěn)相或者高溫高壓亞穩(wěn)相。有研究表明當(dāng)陶瓷粉體經(jīng)過(guò)球磨后晶粒尺寸達(dá)到納米級(jí)之后，顯微應(yīng)變?cè)黾�，晶粒界面局部過(guò)熱，表現(xiàn)出極高的活性晶粒局部之間快速發(fā)生物質(zhì)交換反應(yīng)。Amrute等人發(fā)現(xiàn)，γ-Al(OH)₃不用經(jīng)過(guò)煅燒，而是在室溫下高能球磨3h后就可以直接制備出剛玉結(jié)構(gòu)的α-Al₂O₃粉體。

除此之外，在前驅(qū)體焙燒時(shí)通入特殊的氣氛，使之與氧化鋁表明發(fā)生作用從而可以起到加快原子擴(kuò)散，促進(jìn)α相變的作用。

通過(guò)降低合成溫度來(lái)制備優(yōu)異的α-Al₂O₃粉體，用α-Al₂O₃粉體制備α-Al₂O₃陶瓷時(shí)，燒結(jié)溫度能達(dá)到1750℃以上，較高的燒結(jié)溫度也會(huì)產(chǎn)生很高的耗能，使得生產(chǎn)成本居高不下，因此降低α-Al₂O₃陶瓷的燒結(jié)溫度就是企業(yè)急需解決的問(wèn)題之一。

降低α-Al2O3陶瓷燒結(jié)溫度的途徑

降低α-Al₂O₃陶瓷的方法有很多種，目前主要有三種方法可以降低α氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度。

1、改變粉體特性

利用不同的化學(xué)方法和機(jī)械手段減小氧化鋁粉體的初始粒徑，采用粒度小，比表面積較大的氧化鋁粉體來(lái)增加其燒結(jié)活性。如果粉體的粒徑降低到20nm以下，則陶瓷的燒結(jié)溫度能夠降低到1000℃以下。

粉體顆粒尺寸與燒結(jié)溫度的關(guān)系

制備超細(xì)粉體是可以降低燒結(jié)溫度，但是粉體的制備成本太高，且燒結(jié)體形狀難以控制，不易被企業(yè)采納。

2、添加燒結(jié)助劑

添加燒結(jié)助劑也就可以降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度。常見(jiàn)的燒結(jié)助劑包括TiO₂、CuO、MnO₂等。其降低燒結(jié)溫度的原理是燒結(jié)助劑與α-Al₂O₃粉體之間形成固溶體，這些固溶體有助于降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度。

3、采用特殊燒結(jié)工藝

不采用傳統(tǒng)的常溫常壓燒結(jié)，采用特殊的燒結(jié)工藝，特殊燒結(jié)工藝是指在氧化鋁陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中外加燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)陶瓷的致密化，例如熱壓燒結(jié)、微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等。

在這三種常見(jiàn)的方法中選擇最合適的方法降低α-Al₂O₃陶瓷的燒結(jié)溫度就顯得尤為重要。

▲三種降低燒結(jié)溫度方法比較

以上降低陶瓷燒結(jié)溫度的方法并不是孤立的，在不同條件下，起到的主導(dǎo)作用也是不一樣的。具體生產(chǎn)中可互相結(jié)合使用，以期得到性能最佳的陶瓷產(chǎn)品。

α-氧化鋁具有機(jī)械強(qiáng)度高，比表面積小，耐高溫、耐腐蝕性能優(yōu)異，絕緣性能好等特點(diǎn)，廣泛用于耐火材料、絕緣材料、化學(xué)化工等領(lǐng)域。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)提出了更高要求，綠色工藝也成為了氧化鋁行業(yè)，尤其是α-Al₂O₃行業(yè)所追求的目標(biāo)。低溫煅燒技術(shù)、助劑協(xié)同、顆粒細(xì)化、純度提高是α-Al₂O₃行業(yè)目前的主旋律。

參考來(lái)源：

侯欣怡等：穩(wěn)定與多變——α-氧化鋁：從性質(zhì)、合成與應(yīng)用

張蒙：溶膠凝膠法制備α-Al₂O₃粉體的研究

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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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