摘要：高纯氧化铝具有优良物化特性而成为重要特种功能材料之一。在机械、电子、化工、光学等技术领域具有广泛用途。本文介绍了几种高纯氧化铝的主要生产方法。对主要生产方法特点及优缺点进行了分析。并介绍了高纯氧化铝最新应用领域。此外，还展望了未来高纯氧化铝的发展方向。
关键词：高纯氧化铝；功能材料；制备方法
高纯氧化铝是指纯度大于99．99％、粒度均匀的超细粉体材料。由于其具有无比优越的物理、热学、光学、力学性能，是制作集成电路陶瓷基片、绿色照明用三基色荧光粉、汽车传感器、磁带添加剂、催化剂载体涂层、半导体及液晶显示器、透明高压钠灯管、精密仪表及航空光学器件等的重要基础材料。也是2l世纪新材料中产量大、产值最高、用途最广的尖端材料之一。
1 高纯氧化铝制备技术
1.1 改良拜耳法
改良拜耳法，是将铝酸钠溶液通过深度脱硅、除铁等净化工序得到高纯铝酸钠溶液．通过控制铝酸钠溶液的分解条件．使结晶过程中氢氧化铝向种子析出的速度极为缓慢．抑制异常晶核的形成，减少氢氧化铝中Na、Si等杂质的夹杂，得到高纯氢氧化铝．再经煅烧、研磨等工序制得高纯氧化铝。改良拜耳法中净化铝酸钠溶液是影响产品最终杂质含量的关键步骤唐海红等，采用钡盐作为净化剂除去溶液中Si、Fe、P、Ti、V和有机物等杂质。但是．溶液中的残余钡离子即使用碳酸钠脱除含量依然较高．在分解过程中伴随氢氧化铝析出，造成氢氧化铝中钡含量偏高改良拜耳法最关键的工序是钠离子的脱除，在氢氧化铝水热转相过程中添加脱钠剂或者在焙烧过程中加入矿化剂都是有效的脱钠方法。水热转相过程所用的脱钠剂一般具有酸性。杂质离子如铁离子容易进入一水软铝石．因此该工序对设备要求较高，需要耐酸设备：而在焙烧过程中加入矿化剂，会释放出氟化物．造成环境污染。因此，寻求经济有效的杂质脱除方法是改良拜耳法发展的技术关键。
该方法优点：原料来源广，成本低，过程无污染。缺点：生产工艺相对较复杂，生产效率较低，产品烧结密度低．烧结温度较高。在工业应用上受到限制。
1.2 无机铝盐热分解法
1.2.1 硫酸铝铵热解法硫酸铝铵热解法是国内外生产高纯氧化铝的主要方法，通过严格控制物料配比、pH和反应温度等反应条件，进行合成、结晶，得到硫酸铝铵晶体，母液可循环使用：硫酸铝铵晶体经过多次重结晶，除去K、Na、ca、Si、Fe等杂质，得到精制硫酸铝铵晶体，再经过热分解（1200℃）转化成一A120，。该工艺主要化学方程式如下：
2A1（OH）3+3H2S04——A12（so4）3+6H20
AI2（so4）（N）2S04+24H2I'—÷2NH4AI（SO4）2•12H20
2NH4AI（SO4）2•l2H2—÷Al2O3+2NH3T+4S03T+25HzOt
硫酸铝铵在受热过程中溶解在自带结晶水中，随着水分的蒸发直至达到饱和浓度，开始结晶析出。结晶过程蒸发的气泡容易嵌人晶体中．导致固体呈多孔状、松装密度小、产量小，造成单位产量成本较高。为了解决热溶解造成松装密度小的问题．研究者提出了很多解决方法，其中最有效的方法是先在低温真空下脱去硫酸铝铵的水分而保持晶型完整，进而将脱水硫酸铝铵放入内置渗透性夹层的热分解炉内．将夹层固定在热分解炉下部．热气流穿过夹层留下热解固体．分解尾气可以通过吸收塔吸收通过该方法制备的氧化铝松装密度大、活性好。
该方法优点：1）原料廉价且母液可以循环使用。技术成熟，易于工业生产；2）操作简单稳定，产品纯度高；3）产品团聚少，在制备陶瓷加压成型时密度较低，初期烧结缓慢。易得到均匀烧结组织。该方法缺点：1）分解过程产生大量的NH和SO，，容易造成环境污染，虽然通过尾气处理可满足环保要求，但造成生产成本增加：2）通过重结晶可以除去Na、Mg、Ca等金属杂质离子，但K、Ga、卤素等杂质比较难于除去，分离困难，而且过程复杂、周期长；3）分解过程出现热溶解现象。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆体积膨胀严重，造成产品松装密度小硫酸铝铵法制备的高纯氧化铝历来是制备蓝宝石的原料，如果控制好环境污染和产品杂质含量．其
市场竞争力依然很强
1.2.2 活性高纯铝水解法
活性高纯铝水解法是利用铝有较高的化学活性．与水结合发生激烈反应生成铝的水合物．再经干燥、分散热处理等工序，制得分散性良好的高纯氧化铝。
将熔融过热200～300oC的铝液进行喷射，制得平均粒径为510txm的微细铝粉和水的混合物铝粉的工艺控制要求严格，确保铝粉的高活性。高活性的铝粉与水反应非常激烈．属放热反应。在反应过程中铝粉不断分裂、细化，得到极细白色粉末。经X射线衍射分析产物为A1（OH）和AlO（OH）。所得产物经干燥、分散及1250℃煅烧可得到性能稳定的高纯超细氧化铝该工艺优点是过程简单、成本低，但工艺控制要求严格。该生产过程不具备提纯性，产品纯度只能与高纯铝相近或有不同程度的下降
3 高纯氧化铝的应用
3.1 单晶蓝宝石
单晶蓝宝石广泛应用于光学窗口和整流罩以及卫星空间技术、高强度激光的窗口材料、光纤传感器等。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN／A1，0，发光二极管（LED）、大规模集成电路SO1和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。
作为蓝宝石原料的高纯氧化铝不仅具有高纯度而且含水量非常低，在超过2000"12高温熔化时，水的存在可氧化钼坩埚。此外，高纯一A1，0，不会互相粘接造成在容器内堵塞。此外，随着单晶技术的不断改善，对高纯氧化铝的体积密度有了更高的要求，高体积密度不但可以改善颗粒密度还可以提高生产产量。
3.2 汽车传感器
空燃比传感器是用来检查发动机燃烧过程空气与燃料比的仪器。空燃比传感器由部分稳定氧化锆
和氧化铝基质及加热器组成，氧化铝覆盖于氧化锆传感元件表面的铂膜上，防止废气中的杂质腐蚀铂膜。通过必要的烧结使氧化锆和氧化铝基质两种不同的材料结合成一个整体，两种材料烧结收缩比和热膨胀系数必须相同，此外，在实际应用过程中，由于热膨胀系数的迥异导致两种材料接触界面发生破裂现象，因此，氧化锆元件和氧化铝基质必须具有高密度和细晶粒度，尽量缩小两种材料热膨胀系数的差异。为了满足这种要求，改善氧化铝的低温烧结性能显得非常必要。
3.3 半导体材料
高纯氧化铝具有高的耐腐蚀性、电绝缘性、化学耐久性、耐热性，抗辐射能力强，介电常数高，表面平整均匀，可用于制造半导体和大规模集成电路的衬底材料吸液晶显示器材料。控制氧化铝烧结体中气泡残留量和杂质含量，可获得无气孔、高抗弯曲度和抗腐蚀性的氧化铝陶瓷。此外，在铝、镍、锌和锆金属及合金上等离子体喷涂用的涂层氧化铝需求量日益增加。对等离子喷涂材料用氧化铝的纯度、流动性及颗粒形貌、粒径分布等都有特殊要求，以满足其工艺制备条件。
3.4 锂电池
利用高纯纳米氧化铝的绝缘、隔热、耐高温特性，可用于电池负极的涂层。随着锂离子充电电池容量不断提高，内部蓄积能量越来越大，内部温度会提高，若温度过高会使负极隔膜被融化而造成短路。在隔膜上涂一层纳米氧化铝涂层，可避免电极之间短路，提高锂电池使用安全性。对钴酸锂、锰酸锂、钛酸锂和磷酸铁锂等材料进行表面包覆，纳米厚度的Al，0，包覆层即可大幅减小界面阻抗，额外提供电子传输隧道，有效阻止电解液对电极的侵蚀作用，并且能容纳粒子在Li+脱嵌过程中的体积变化，防止电极结构的损坏。
4 结语
高纯氧化铝是重要的无机材料原料，随着其应用领域和范围不断扩大，对产品质量要求日益严格。近年来，国内高纯度氧化铝粉体在微量杂质元素的控制方面实现了突破，但还存在粉体批次稳定性相对较差和粉体粒度分布宽及团聚等问题，因此，如何提高我国高纯氧化铝产品质量及装备水平并占领高端市场是我们面临的主要问题，而提高产品质量的关键是在确保纯度的前提下如何控制粒度大小获得粒度分布均匀产品。
参考文献：
[1]朱永璋．火花放电法制备高纯氧化铝粉末[J]．有色金属，2011．
[2]张美鸽．高纯氧化铝制备技术进展田．功能材料，2013.
[3]唐海红．高纯超细氧化铝的制备[J]．有色金属.2013.
论文作者:吴忠辉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
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