扒一扒氧化鋁同質(zhì)異晶體的多樣功能

氧化鋁是生活中非常常見的材料，不論是我們耳熟能詳?shù)募t藍寶石、人造牙、人造骨、陶瓷刀具，亦或是生活中不易為我們發(fā)覺的氧化鋁納米傳感器、催化劑載體、除氟劑等，氧化鋁無處不在。通常，我們所言的氧化鋁是指氧化鋁的水合物或者加熱分解的產(chǎn)物。已經(jīng)證實的氧化鋁晶體有α、η、γ等八種，正是因為氧化鋁多種多樣、結(jié)構(gòu)各異的同質(zhì)異晶體，才有其廣泛應(yīng)用。

氧化鋁種類劃分方法繁多，我們可以根據(jù)氧化鋁產(chǎn)品的穩(wěn)定性，將其分為三大類：

a氧化鋁水合物：三水鋁石、諾耳石等；

b過渡相氧化鋁，γ-氧化鋁、η-氧化鋁等；

c穩(wěn)定相氧化鋁，α-氧化鋁（剛玉）。

隨心所欲控制氧化鋁晶型變化一直是我們的夢想，氧化鋁各種晶型的轉(zhuǎn)化一直是研究的熱點，其繁雜的變化可以參加圖1。

圖1 氧化鋁的晶型轉(zhuǎn)換（圖片來源：《八種晶型氧化鋁的研制與鑒別》）

目前，氧化鋁主要的應(yīng)用以α和γ兩種晶型為主，這兩種晶型的特點突出，性能優(yōu)異，在生產(chǎn)實踐中作用重大。圖2為α、β型高純氧化鋁參數(shù)對比，可以發(fā)現(xiàn)其最直觀的不同就是比表面積的大小不同。接下來，我們主要通過介紹這最具有代表性的兩種晶型，來了解氧化鋁豐富多彩的應(yīng)用。

α-氧化鋁

在α-氧化鋁晶格結(jié)構(gòu)中，氧離子為六方緊密堆積，鋁離子對稱地分布在氧離子圍成的八面體配位中心，晶格能比較大，因此熔點、沸點很高；α-氧化鋁不溶于水和酸，其比表面積低，具有耐高溫的惰性。

圖2 各種顏色的天然剛玉族寶石，其顏色不同是因為所含雜質(zhì)不同

α-氧化鋁在自然界中以剛玉形式存在，剛玉一般呈帶藍或帶黃的灰色，常因含有不同的雜質(zhì)而呈現(xiàn)不同的顏色。同屬于剛玉礦物的紅藍寶石，是世界上公認的兩大珍貴彩色寶石品種。天然寶石美麗而稀少，倍受人們青睞，因而價格昂貴。我們可以通過高純α-氧化鋁來生產(chǎn)人造的紅寶石、藍寶石。紅寶石呈現(xiàn)紅色是因為其中混有少量含鉻化合物；而藍寶石呈現(xiàn)藍色則是由于其中混有少量含鈦化合物。由于藍寶石電絕緣、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。

圖3 單晶藍寶石襯底是目前應(yīng)用最為廣泛的襯底材料

此外，藍寶石可以做成光學(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。

人造剛玉的應(yīng)用同樣神通廣大，工業(yè)上常將純α型氧化鋁粉末在高溫電爐中燒結(jié)制成人造剛玉，也稱電熔剛玉．它能耐1800℃以上的高溫，是制造高級特殊耐火材料的原料，有高溫下機械強度大，抗熱震性好，抗侵蝕性強，熱膨脹系數(shù)小等特點，用于制火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)襯、噴咀，雷達天線保護罩，原子能反應(yīng)堆材料，高級高頻絕緣陶瓷，冶煉純金屬和合金的坩堝，高溫發(fā)熱原件，熱電偶保護管，各種高溫爐的爐襯等．人造剛玉還用于制精密儀表軸承和金屬絲的拉絲具。

圖4 剛玉由于耐高溫、穩(wěn)定性好，可用作剛玉磚.

α-氧化鋁由于具有一定的導(dǎo)熱率，還用于制備各種導(dǎo)熱高分子材料，如各種導(dǎo)熱硅膠體系、環(huán)氧體系、工程導(dǎo)熱塑料體系、各類導(dǎo)熱灌封膠、各類橡膠體系，廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)、化工等行業(yè)。金戈新材所用的導(dǎo)熱填料就含α-氧化鋁，其中包括不規(guī)則氧化鋁、球形氧化鋁、類球形氧化鋁等，通過表面包覆、復(fù)合工藝等加工成成品，具有加工性能優(yōu)異，導(dǎo)熱率高，可實現(xiàn)高填充、高絕緣，高純度等特點，非常適合制備各式各樣的導(dǎo)熱功能材料。

導(dǎo)熱高分子材料

γ-氧化鋁

　γ-氧化鋁是氫氧化鋁在低溫環(huán)境下脫水制得，工業(yè)上也叫活性氧化鋁、鋁膠．其結(jié)構(gòu)中氧離子近似為立方面心緊密堆積，Al3+不規(guī)則地分布在由氧離子圍成的八面體和四面體空隙之中。γ-氧化鋁不溶于水，能溶于強酸或強堿溶液，在低溫下穩(wěn)定，將它加熱至1200℃就全部轉(zhuǎn)化為α-氧化鋁。γ氧化鋁是一種多孔物質(zhì)，具有很大的表面積。

圖5 活性氧化鋁球可應(yīng)用于催化劑及其載體、除氟劑、凈水劑、干燥劑等

催化劑的孔結(jié)構(gòu)對催化劑的反應(yīng)性能有著非常重要的影響。多相催化劑的活性、選擇性及熱穩(wěn)定性不僅取決于活性組分的固有催化特征，又和催化劑載體的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。γ型氧化鋁每克的內(nèi)表面積高達數(shù)百平方米，活性高吸附能力強，大量作為催化劑載體，使一些活性很高價格昂貴的催化劑（如鉑、鈀等）分布在載體表面，可以顯著減少催化劑用量。然而，活性氧化鋁的熱穩(wěn)定性長期困擾著人們，原因是在高溫反應(yīng)體系中，催化劑載體由于燒結(jié)或者相變的原因，比表面積大幅度下降，從而使得負載的催化劑失去活性。因此，阻止活性氧化鋁的晶相轉(zhuǎn)變，提高活性氧化鋁的熱穩(wěn)定性，是γ-氧化鋁載體研究的重要課題。

大量的研究表明，在氧化鋁結(jié)構(gòu)表面引入某種離子對γ-氧化鋁的相變和燒結(jié)具有較明顯的影響。目前，用作改性氧化鋁的添加劑可分為五大類，即稀土、過渡金屬、堿土金屬、二氧化硅以及其它氧化物。經(jīng)過改性的活性氧化鋁，在高溫下依然有較大的比表面積，但不同元素改性氧化鋁的機理各不相同。有研究表明，BaO、La2O3對改性氧化鋁最為有效。BaO可能是通過阻止正三價的Al的體相擴散而穩(wěn)定γ-氧化鋁的結(jié)構(gòu)，La2O3是通過阻止鋁離子表面擴散起穩(wěn)定作用，而二氧化硅是通過消除氧化鋁表面的羥基來阻止γ-氧化鋁進一步晶化。隨著助劑改性研究的深入，相信其還將能應(yīng)用于更多的催化反應(yīng)中。

此外，γ-氧化鋁能吸附大量的水蒸氣，而且被水飽和的氧化鋁很容易通過干燥的方法脫除物理吸附水而重復(fù)使用，除干燥空氣外，γ-氧化鋁還可以用于除去各種氣體和有機液體中的水分，如用于酒精脫水；同時，γ-氧化鋁也是氨、氟化氫與砷的氧化物的良好吸附劑，作為高氟飲水的優(yōu)質(zhì)除氟劑與制酸工業(yè)的除砷劑已獲得廣泛應(yīng)用。

同質(zhì)異晶氧化鋁的制備

目前，工業(yè)氧化鋁的制備多采用拜耳法，世界上95％的公司都采用拜耳法制取氧化鋁。具體的工藝流程圖參見圖6。不同晶型氧化鋁生產(chǎn)的差異體現(xiàn)在最后氫氧化鋁煅燒環(huán)節(jié)，由于前驅(qū)物氫氧化鋁晶型不同，在不同條件下煅燒，得到不同晶型的氧化鋁。簡單而言，γ-氧化鋁是氫氧化鋁在450℃左右煅燒的產(chǎn)物，而α-氧化鋁是氫氧化鋁在1250℃以上煅燒的產(chǎn)物。

圖6 拜耳法生產(chǎn)工藝流程圖（圖片來源：拜耳法生產(chǎn)氧化鋁）

總結(jié)

兩種晶型氧化鋁由于結(jié)構(gòu)特點的不同，在不同的領(lǐng)域各顯神通，很好地代表了整個氧化鋁大家族的各種特性。

總體而言，α-氧化鋁晶型穩(wěn)定，在氧化鋁各種晶型中是最穩(wěn)定的一員，也是自然界中唯一存在的氧化鋁晶型。工業(yè)上采用拜耳法生產(chǎn)各種晶型氧化鋁，α-氧化鋁是氫氧化鋁經(jīng)過高溫煅燒產(chǎn)物，其穩(wěn)定的物理化學(xué)性能使其可以作為耐火磚、坩堝等；高純α-氧化鋁可以合成美麗的人工寶石，并且藍寶石因其電絕緣、透明、易導(dǎo)熱、硬度高等特點，可以作為襯底材料而應(yīng)用廣泛。

γ-氧化鋁是氧化鋁的低溫形態(tài)，是由制備工業(yè)氧化鋁的中間產(chǎn)物（氫氧化鋁）經(jīng)低溫煅燒而得，其比表面積大，催化活性大，因此可以作為催化劑及其載體應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域；此外，γ-氧化鋁結(jié)構(gòu)疏松，易于吸水，可以作為凈水劑、干燥劑，對于一些氣體、有毒物質(zhì)也有優(yōu)異的吸附性能；對于γ-氧化鋁的改性研究一直是科研熱點問題，相信隨著其熱穩(wěn)定性問題的解決，還將在更多領(lǐng)域大放異彩。

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