趣谈“氧化铝陶瓷”

　　不错，上面的不闪闪亮的东东本质都是氧化铝，不过今天小编不聊怎么鉴别宝石，今天来带大家认识一下氧化铝在工业中应用。

　　Al2O3在自然界主要以铝土矿形式存在(Al2O3·3H2O)形式存在，主流工艺为拜尔法制成，其流程大概是这样的：

　　Al2O3·3H2O+NaOH→NaAlO2(溶液)，过滤后矿渣排走，

　　NaAlO2+Al(OH)3→Al(OH)3(降温过饱和沉降)，

　　Al(OH)3→Al2O3(900~1200℃烘烤)形成α型晶，

　　Al(OH)3→Al2O3(140~450℃脱水)，形成γ型晶。

　　具体的工艺流程如下：

　　这个红色的过程的本质是将矿石粉体化，以充分的化学手段将铝土矿中的杂质物质去除，以达到纯化氧化铝目的。我们经常的95%，99%，99。5%基本就决定于蓝色字体的过程。不要小瞧了小数点后几位，这已经属于精细化工范畴，同时也是础科技实力的象征。有没有种丑小鸭变白天鹅的感觉?然而人类不满足于获得一只白天鹅，而是把天鹅做成各种丰盛美味佳肴(let’sdoit)，制作佳肴之前，我们有必要先了解白天鹅的种类。下面我们来看看，氧化铝的主要晶型。

　　林林总总的氧化铝大概有十几种晶型。但是我们最常用/见的就三种：α-晶型，γ-晶型，β-晶型。其中数α-型使用量最大(意思大概就是单价不高咯)。

　　不同氧化铝陶瓷晶型转变关系及6方晶型α-Al2O3

　　这里要讲一个小插曲，β-Al2O3最早是在生产玻璃的窖炉壁上耐火材料(Al2O3)中被发现的。开始人们以为是以新的Al2O3晶型，最后被证明是是一部分Na2O渗入Al2O3的内形成的多元化合物(所以严格来说这应当是个复合材料Σ(⊙▽⊙"a)，哈哈哈。但是就这个特殊的导电性马上让其位列“功能材料”的行伍，身价立马大涨。

　　β-Al2O3电池比传统电池储能效率更高

　　借此小编要告诉大家一个做人的道理：平凡的岗位上，越是踏实勤奋，经得起淬炼，积极地吸收环境养分，量变总会有引起质变的一天(廉价耐火砖吸Na秒变电芯，身价暴增)。

　　此处需强插一句：材料的特性由其组份，结构决定。生产过程影响组份，结构。举个例子：沉降法获从铝土矿中获得Al2O3往往是絮状的;进一步干燥脱水结块形成γ晶相和α晶相混合相，看起来是一团粉末，微观上其实存在很多范德华力作用，是一种结构松散材料。当温度升高到1200℃时候，会有部分Al-O的化学键形成，γ-晶型团簇会进一步熔结形成更致致密的α-晶型团簇。松散的结构意味着很大表面面积，所以γ-晶相有一个牛逼的特点是就是比表面积特别大，可达300m2/g(我们常用的竹炭350m2/g)，因此它基本是化工催化，气体吸附行业中的明星产品。耐腐蚀，耐高温这一点，足以秒杀其他催化剂触媒了。但拿来镀膜做防护膜用就白瞎(可惜、浪费~~)了。想享受氧化铝带高强度的保护怎么办?只能选择更致密的α-相氧化铝陶瓷。然而两者外观来看都是白色的，使用须谨慎。

　　①3维材料：球啊、块啊，各种陶瓷件啊

　　三维材料有很多成型方法，可采用HIP/CIP(热等静压/冷等静压)，将粉体在高压下进行压缩。强迫粉末之间形成作用力。这种方式常用于制作靶材或者砖坯，力学性质很差。无法直接应用在承载结构中，但也是由于其不紧密的结构，热力学性质会显著变化，从而在隔热材料中广泛应用。也可以与其它陶瓷粉末/有机溶剂混合后进行铸造，再干燥成型。同样这种方法之制备的材料也无法直接使用，后续需要进一步加工，随着5G时代的来领，LTCC(LowTemperatureCo-firedCeramic)这一技术已经陡然走俏，势必会带来一波氧化铝应用高潮。

　　将成型的胚材再高温条件进行烧结，可获得力学性能优秀的成品。不同的应用领域对成品会有不同的要求，在半导体集行业应用中，需要很关注陶瓷中是碱金属含量，长期的电流&发热环境这些碱金属会对绝缘性造成影响(想想β-Al2O3的用途)总的来讲，3维材料我们关注的氧化铝关键点是(纯度，晶型，热导率，机械强度，热熔介电常数这些参量)

　　②2维材料：薄膜材料

　　制备方法

　　a、PVD(physicvapordeposition)：将靶材再低真空中采用等离子轰击成纳米颗粒，或者热蒸发方式让氧化铝沉积再表面。经热处理后形成有一定的强度/硬度/透过率的膜。。

　　b、So-Gel(溶胶-凝胶法)：使用含有Al2O3的胶体，涂敷在表面上，然后再凝胶沉积在材料表面。随后经过热处理形成一层薄薄的陶瓷膜。

　　c、ALD(atomlayerdeposition)原子层沉积：采用还有铝的有机化合物，与水在超高真空内在表面上进行反应，这种工艺可形成品质优良是氧化铝纳米薄膜，无论在光学，电学力学上都具有异常优秀的品质。因此，它在半导体行业中由非常重要的应用。

　　d、氧化法：用氧化性物质对铝金属表面进行氧化处理。形成致密的氧化铝薄膜。助融法，将K2SO4与KAl(SO4)2混合焙烧，冷却后溶浸处理得到。

　　以上前4种的方法都是需要将被处理表面与氧化铝陶瓷(源)放置再一个环境下加工，被加工物体表面就获得了氧化铝所具有的功能。最后一个生产的2维材料仅仅是材料而已，必须要进一步是设计使用，与1维材料类型的用法相同(复合材料添加剂)。

　　③1维材料：晶须啊，线啊

　　制备方法

　　a、诱导法，将Al2O3单晶放置于与Al2O3，Al，H2O氛围内升温，使Al2O3沿着原来单晶方向进行生长形成纳米线。

　　b、Al-SiO2法：将Al粉与SiO2粉体混合在保护气体中进行反应生长出Al2O3纳米线。

　　c、助融法，将K2SO4与KAl(SO4)2混合焙烧，冷却后溶浸处理得到纳米线。

　　d、模板法，将有机纤维饱和吸附AlCl3后干燥放入氧化铝干过中灼烧得到纳米线。

　　纳米晶须是一种非常优秀的复合材料基材，优秀的力，热学特性让其在高温，摩擦平频繁的结构中应用广泛(发动机，涡轮扇叶等等)。

　　顺便再提出一个名词：复合功能材料这又是人类材料学上的一个壮举，类似生物的杂交，可达到“一物多能”的效果。复合功能材料是未来一个重要的行业，尤其是航空航天航海，军工，半导体等产业发挥举足轻重的作用。

　　④0维材料：纳米颗粒

　　制备方法：

　　a、球磨法，将氧化铝粉体球磨进一步研磨成纳米颗粒。

　　b、热分解法，将含有铝氧的物质进行热裂解。

　　c、铝盐水解法等其他方法。

　　总的来讲，目前在制备0维氧化铝纳米材料很难克服团聚现象以及粒度均一性。球型纳米颗粒的氧化铝陶瓷具有优异力学特性及流动性，可以广泛应用于流体填充润滑及调节材料的流动型及保护涂层中。但是因为他有很强的自聚性，这个制备纳米颗粒带来很多不便目前还没有广泛的应用。

　　通过以上的介绍，想必您应该对氧化铝陶瓷这个大白鹅各种。“烹饪”方法有了大致的了解了吧?小编现在只能悄默默告诉大家，后面5G的发展，LTCC将是一个不错的切入点。相信随着科技的不断发展，后面肯定会有越来越多烹饪方式。

　　顺便再吐槽一点，我们的精细化工还需要努力，目前高端一点的氧化铝大多依赖进口的。

　　反过来看，高规氧化铝提出也是一个不错吃法(需求大&价格还高)。

　　文末彩蛋一枚：如何鉴别蓝宝石。镇楼图中的宝石有自然的也有人工的，小编奉上一个专业的检测方式[拉曼光谱法]，原理如下：

　　人工与自然的蓝宝石因为外界经历的环境不同。导致蓝宝石内部的晶格应力稍有差异。而拉曼光谱可以>99%准确度上将2者分开。如下2张图。欢迎大家留言回复2张图的差一点在哪。回答正确将有“意外惊喜”

　　天然蓝宝石拉曼光谱(左)及人工蓝宝石拉曼光谱