中國粉體網訊 氧化鋁陶瓷是目前世界上產量較高，應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異晶體，目前常見和廣泛應用的就是α-Al2O3和γ-Al2O3，其中α-Al2O3是最為穩定、結構最為緊密的。
α-Al2O3的晶體結構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。α相為高溫穩定晶型，熔點為2050℃，不溶于酸和堿，其余的都屬于不穩定的過渡晶型，他們在高溫下最終都轉變成α相。
α-Al2O3晶體結構圖
α-Al2O3陶瓷因為其優異的性能使其成為世界上用途最為廣泛的陶瓷之一，廣泛的應用于在研磨材料、拋光材料、耐火材料等方面。隨著5G時代的到來，高純α-Al2O3陶瓷在電路基板、電極共燒方面的需求與日俱增。
α-Al2O3在陶瓷領域中的應用
性能優異的α-Al2O3陶瓷的制備前提是擁有性能優異的α-Al2O3粉體，傳統的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，團聚程度比較嚴重，相應的制備的α-Al2O3陶瓷體燒結溫度較高，燒結活性較差。因此降低α-Al2O3粉體制備溫度就成為制備高燒結活性α-Al2O3陶瓷體的關鍵。
降低α-Al2O3粉體制備溫度的途徑
值得注意的是，α-Al2O3的產業化，無論是功能化α-Al2O3、還是基礎型α-Al2O3，它的制備溫度較高，會導致較大的耗能。成核激活能的降低瓶頸技術需通過助劑輔助，設備和原料的創新及優化等方式進行攻克。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的方法。籽晶的加入可以降低α-Al2O3的成核勢壘并且大幅度提高了α相在過渡相中的成核密度，在較低的溫度下前驅體就可以轉化為氧化鋁。籽晶的種類有很多種，研究表明，氧化鋅也可以作為籽晶來降低α-Al2O3粉體的合成溫度。氧化鋅作為籽晶對氧化鋁的α相變有促進作用，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晶并且阻止晶粒異常長大。在氧化鋁粉體制備過程中加入礦化劑可以增加過渡相到α相的傳輸，適當的加入礦化劑可以降低α-Al2O3粉體的制備溫度。Yamai等人發現前驅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化速度和降低轉化溫度，還能降低產品中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，在機械球磨過程中，陶瓷粉體經過粉碎、剪切等作用，晶粒迅速細化，化學活性急劇升高。有些陶瓷粉體在很輕微的球磨作用下就可以發生相變反應，獲得常溫亞穩相或者高溫高壓亞穩相。有研究表明當陶瓷粉體經過球磨后晶粒尺寸達到納米級之后，顯微應變增加，晶粒界面局部過熱，表現出極高的活性晶粒局部之間快速發生物質交換反應。Amrute等人發現，γ-Al(OH)3不用經過煅燒，而是在室溫下高能球磨3h后就可以直接制備出剛玉結構的α-Al2O3粉體。
除此之外，在前驅體焙燒時通入特殊的氣氛，使之與氧化鋁表明發生作用從而可以起到加快原子擴散，促進α相變的作用。
通過降低合成溫度來制備優異的α-Al2O3粉體，用α-Al2O3粉體制備α-Al2O3陶瓷時，燒結溫度能達到1750℃以上，較高的燒結溫度也會產生很高的耗能，使得生產成本居高不下，因此降低α-Al2O3陶瓷的燒結溫度就是企業急需解決的問題之一。
降低α-Al2O3陶瓷燒結溫度的途徑
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氧化鋁陶瓷的燒結溫度。
1、改變粉體特性
利用不同的化學方法和機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增加其燒結活性。如果粉體的粒徑降低到20nm以下，則陶瓷的燒結溫度能夠降低到1000℃以下。
粉體顆粒尺寸與燒結溫度的關系
制備超細粉體是可以降低燒結溫度，但是粉體的制備成本太高，且燒結體形狀難以控制，不易被企業采納。
2、添加燒結助劑
添加燒結助劑也就可以降低氧化鋁陶瓷的燒結溫度。常見的燒結助劑包括TiO2、CuO、MnO2等。其降低燒結溫度的原理是燒結助劑與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溫度。
3、采用特殊燒結工藝
不采用傳統的常溫常壓燒結，采用特殊的燒結工藝，特殊燒結工藝是指在氧化鋁陶瓷的燒結過程中外加燒結驅動力，促進陶瓷的致密化，例如熱壓燒結、微波燒結、放電等離子燒結等。
在這三種常見的方法中選擇最合適的方法降低α-Al2O3陶瓷的燒結溫度就顯得尤為重要。
▲三種降低燒結溫度方法比較
以上降低陶瓷燒結溫度的方法并不是孤立的，在不同條件下，起到的主導作用也是不一樣的。具體生產中可互相結合使用，以期得到性能最佳的陶瓷產品。
α-氧化鋁具有機械強度高，比表面積小，耐高溫、耐腐蝕性能優異，絕緣性能好等特點，廣泛用于耐火材料、絕緣材料、化學化工等領域。近年來，國家對環境保護提出了更高要求，綠色工藝也成為了氧化鋁行業，尤其是α-Al2O3行業所追求的目標。低溫煅燒技術、助劑協同、顆粒細化、純度提高是α-Al2O3行業目前的主旋律。
參考來源：
侯欣怡等：穩定與多變——α-氧化鋁：從性質、合成與應用
張蒙：溶膠凝膠法制備α-Al2O3粉體的研究
中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/空青）
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