高純氧化鋁的制備及應(yīng)用

　　高純氧化鋁具有粒度均勻、易于分散、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點，具有普通氧化鋁粉體無法比擬的光、電、磁、熱和機械性能，在高技術(shù)新材料領(lǐng)域和現(xiàn)代工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。正因為高純氧化鋁的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，產(chǎn)品系列化和延伸空間大，與其他高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的關(guān)聯(lián)度很大，本身也是技術(shù)含量高、附加值大的產(chǎn)品，因而其制備技術(shù)的提升，對高純氧化鋁的自身制造行業(yè)及相關(guān)行業(yè)都將產(chǎn)生重大的影響，成為現(xiàn)代高技術(shù)新材料領(lǐng)域中的一個重要發(fā)展方向。

1、高純氧化鋁的概念

       1.1　高純氧化鋁的定義

　　高純氧化鋁是指最低純度為99.99%的氧化鋁，分子式Al2O3，是難溶于水的白色固體，無臭、無味、質(zhì)極硬、易吸潮而不解潮（灼燒過的不吸濕）。其為兩性氧化物，能溶于無機酸和堿性溶液中，幾乎不溶于水及非極性有機溶劑。

2、高純氧化鋁的制備

    2.1　結(jié)晶熱解法

     2.1.1硫酸鋁銨結(jié)晶熱解法

　　硫酸鋁銨法應(yīng)用較廣，其產(chǎn)品活性好，粒度均勻。精制過的硫酸鋁在硫酸銨體系下進(jìn)行結(jié)晶，在多次重結(jié)晶過程中硫酸鋁銨被提純，最終將提純后的硫酸鋁銨熱解制得氧化鋁粉體。王守平等[1]采用分段式硫酸鋁銨熱解法制備高純氧化鋁，所得產(chǎn)品為分散性良好的類球形高純氧化鋁，粒徑200~300nm，有利于后續(xù)生產(chǎn)利用。該法的工藝簡單、成本低、粉體質(zhì)量高且易于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，但過程中易出現(xiàn)熱溶解現(xiàn)象，對于鉀、鈣、鹵素等雜質(zhì)的去除困難。

　　此外，熱分解過程中產(chǎn)生的氨氣和硫氧化物造成環(huán)境污染，是限制其發(fā)展的主要因素。對此，殷永泉等[2]對硫酸鋁銨熱解產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行吸收、中和、濃縮處理生產(chǎn)硫酸銨，可實現(xiàn)氧化鋁生產(chǎn)的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

     2.1.2碳酸鋁銨結(jié)晶熱解法

　　對于硫酸鋁銨法的完善和改進(jìn)研究是多年來人們所關(guān)注的點?；诹蛩徜X銨法改進(jìn)后的碳酸鋁銨結(jié)晶熱解法一定程度上控制了空氣污染問題，在目前的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多，將提純后的硫酸鋁銨與碳酸氫銨反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為碳酸鋁銨，避免了后續(xù)熱解產(chǎn)生硫氧化物氣體。與硫酸鋁銨法相比，碳酸鋁銨法的產(chǎn)品粉體粒度分布不均勻，有團聚現(xiàn)象產(chǎn)生，生產(chǎn)成本也較高。林元華等[3]研究表明反應(yīng)物濃度、溶液pH和添加劑等因素均會影響產(chǎn)品純度和粉體質(zhì)量。生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制各參數(shù)及反應(yīng)條件。

     2.2　水解法

     2.2.1醇鋁水解法

　　醇鋁水解法在催化劑體系下，有機醇和金屬鋁反應(yīng)生成醇鋁溶液，然后進(jìn)行水解，所得高純氫氧化鋁燒結(jié)后得到高純氧化鋁。針對該方法，保證氧化鋁品質(zhì)的技術(shù)關(guān)鍵有以下三點：一、保障原料純度；二、醇鋁的進(jìn)一步精餾提純，除去高熔點雜質(zhì)；三、醇鋁的干燥、燒結(jié)條件和粉體制備裝置調(diào)控粉體的粒度。付高峰[4]等使用鋁含量大于99.9%的鋁片和分析純丙醇制備超細(xì)高純氧化鋁，需要恒溫水浴加熱、添加異丙醇和氯化汞作為催化劑，將生成的異丙醇鋁經(jīng)精餾、水解、老化、干燥、煅燒等工藝最終制得產(chǎn)品，工藝環(huán)節(jié)多。該法環(huán)境友好，對所得氧化鋁的純度高，但高純度的有機醇前驅(qū)體造成生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜、純度難控制。

      2.2.2直接活化水解法

　　氯化汞活化水解法，使用氯化汞將鋁片或鋁屑活化，然后置于1%濃度的硫酸鋁溶液中水解，將所得氫氧化鋁溶膠高溫干燥后得到凝膠，進(jìn)一步高溫處理制得氧化鋁粉體。該工藝的重點在于鋁的活化水解，要保證原料為高純度的鋁薄片，若水解不充分，產(chǎn)品中殘留有單質(zhì)鋁，過程中引入的汞處理不好會污染環(huán)境，水解時產(chǎn)生的氫氣排放也要考慮安全因素。高純鋁活化水解法生產(chǎn)周期短，所得氧化鋁粉體可提高透明陶瓷的透過率和耐腐蝕性，但對原料金屬鋁的純度要求較高，需要嚴(yán)格的過程控制以保證產(chǎn)品純度，其苛刻的水解條件以及環(huán)保問題使該法僅限于實驗室應(yīng)用。

     2.3　改良拜耳法

　　改良拜耳法將數(shù)次脫硅、除鐵后的偏鋁酸鈉溶液析出氫氧化鋁，在高溫條件下焙燒得到所需晶型的高純氧化鋁，溶液凈化除雜和結(jié)晶過程均會對最終產(chǎn)品的純度和粉體質(zhì)量產(chǎn)生影響，是該法的關(guān)鍵。唐海紅等[5]為避免溶液凈化過程中鋁損失，探索采用鋁酸鋇對鋁酸鈉溶液進(jìn)行深度凈化。

　　此外，該法應(yīng)注意對鈉的脫除，在焙燒時添加礦化劑或在氫氧化鋁水熱轉(zhuǎn)相時添加脫鈉劑均是有效的除鈉手段。結(jié)晶過程中溶液過飽和度、結(jié)晶溫度、晶種大小等參數(shù)直接影響氧化鋁的純度及粉體質(zhì)量，通過準(zhǔn)確的控制反應(yīng)條件，使結(jié)晶過程緩慢地進(jìn)行，避免異常晶核的形成，有利于減少Na、Si等雜質(zhì)的夾雜。該工藝成本低，原料來源廣，但過程復(fù)雜，焙燒溫度高，產(chǎn)品獲得率低，純度也相對較低。

     2.4　溶膠凝膠法

　　溶膠凝膠法是一種低溫制備高純氧化鋁的重要方法。將高純度的鋁鹽在高純度的無機鹽或有機酸中水解生成水合物前驅(qū)體透明溶膠，然后將溶膠聚合凝膠化得到透明凝膠，凝膠進(jìn)一步高溫加熱得高純氧化鋁。徐三魁等[6]用高純硝酸鋁在氨水體系下形成水合物前驅(qū)體制備溶膠，在凝膠化階段投入高純氧化鋁晶種，使用三氟化鋁作為添加劑，在較低溫度下制得高純納米氧化鋁。

     2.5　水熱合成法

　　水熱合成法對產(chǎn)品的純度和粒度控制容易，利用水溶液作為反應(yīng)體系，通過加熱加壓增大前驅(qū)體的溶解度，高純鋁與水蒸氣作用直接水解為氫氧化鋁，在降溫的過程中析出氧化鋁，避免氫氧化鋁煅燒產(chǎn)生硬團聚，再經(jīng)干燥、煅燒等工序即可制得氧化鋁粉體。

     Deng等[7]首先在室溫下將NaOH溶于氨水，再緩慢加入氯化鋁制得乳白色絮狀前驅(qū)體，然后使用水熱合成法，通過調(diào)整溶液pH值制得一水軟鋁石納米粉體。該法的缺點是設(shè)備投資大，高溫高壓具有一定的危險，氫氧化鋁轉(zhuǎn)化為氧化鋁的效率低，通常需要添加晶種降低相轉(zhuǎn)變溫度。

       2.6　沉淀法

　　沉淀法分為三類：直接沉淀法得到的產(chǎn)品粒度不均勻，分散性差；均勻沉淀法團聚少、反應(yīng)速度可控性好；共沉淀法作用于混合后的溶液，各組分混合沉淀。肖勁等將硫酸鋁霧化于沉淀劑碳酸銨溶液中，添加分散劑，應(yīng)用沉淀-正丁醇共沸蒸餾法制備優(yōu)質(zhì)類球形超細(xì)α-氧化鋁粉體。

3、高純氧化鋁的應(yīng)用

       3.1　氧化鋁單晶藍(lán)寶石的應(yīng)用

　　氧化鋁單晶作為一種優(yōu)良透波材料，在紫外、可見光、紅外波段、微波都具有良好的透過率，可以滿足多模式復(fù)合制導(dǎo)（電視、紅外成像、雷達(dá)等）的要求，在軍事工業(yè)等領(lǐng)域被用作窗口材料及整流罩部件，在光電通訊領(lǐng)域作為重要的窗口材料使用。大尺寸藍(lán)寶石單晶，其內(nèi)部缺陷很少，沒有晶界、孔隙等散射源，強度的損失很小，透波率很高，是目前透波部件的首選材料。

　　由于藍(lán)寶石電絕緣、透明、易導(dǎo)熱、硬度高，因此可以用來作為集成電路的襯底材料，可廣泛用于發(fā)光二極管（LED）及微電子電路，從而替代高價的氮化硅襯底，制作超高速集成電路。[8]

　　此外，藍(lán)寶石可以做成光學(xué)傳感器以及其它一些光學(xué)通信和光波導(dǎo)器件。如高溫高壓或真空容器的觀察窗、液晶顯示投影儀的散熱板、有害氣體檢測儀和火災(zāi)監(jiān)測儀的窗口、光纖通訊接頭盒等。

       3.2　透明陶瓷

　　高純氧化鋁作為一種重要的透明陶瓷材料，其用途之一就是制造高壓鈉燈管。高壓鈉燈是一種發(fā)光效率很高的電光源，在鈉蒸汽放電時會長生1000℃以上的高溫，具有很強的腐蝕性，玻璃燈管根本就沒法耐受，直到有了高純氧化鋁透明陶瓷，高壓鈉燈才得到實際應(yīng)用。

　　透明高純納米氧化鋁精細(xì)陶瓷不僅能透光，而且具有耐高溫、耐腐蝕、高絕緣、高強度、介質(zhì)損耗小等性能，是一種優(yōu)良的光學(xué)陶瓷，還可作微波爐窗等。

       3.3　發(fā)光材料

　　高純氧化鋁應(yīng)用與稀土三基色熒光粉的重要物質(zhì)之一。三基色熒光粉是能通過放電較好產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三種顏色的發(fā)光物質(zhì)，其發(fā)光效果比鹵粉熒光燈應(yīng)用價值更高。

       3.4　拋光磨料

　　用于精密拋光用的高純納米氧化鋁，雜質(zhì)含量低，粒徑小，具有拋光效率高、拋光光澤度高等特性，廣泛應(yīng)用于精密拋光工業(yè)，并能滿足低雜質(zhì)含量要求的產(chǎn)品的精密拋光要求。適合用于藍(lán)寶石、玻璃、金屬、半導(dǎo)體、塑料等材料的精密拋光，達(dá)到鏡面效果，不易產(chǎn)生缺陷。

        3.5　電池行業(yè)

　　高純納米氧化鋁作為陶瓷涂層涂到鋰電池正負(fù)極間隔膜上，起到耐熱，耐高溫，絕緣的作用，從而可以防止動力電池因溫度過高，隔膜熔化而短路。

結(jié)語

　　隨著高新技術(shù)的興起與發(fā)展，未來市場對高純氧化鋁粉體的需求不斷增加，這必將推動高純氧化鋁粉體制備技術(shù)向低成本、規(guī)模化不斷發(fā)展。另一方面，更新技術(shù)，提升產(chǎn)品品質(zhì)以打開諸如人體晶體、催化劑載體等高端市場，從而打破國外產(chǎn)品在這些領(lǐng)域一統(tǒng)天下的局面是國內(nèi)高純氧化鋁制備企業(yè)發(fā)展壯大的必由之路。