中國粉體網(wǎng)訊  在礦業(yè)、制陶業(yè)和材料學(xué)領(lǐng)域中，氧化鋁（化學(xué)式Al₂O₃）又被稱為礬土，是一種化學(xué)鍵很強(qiáng)的離子化合物，具有高硬度、高機(jī)械強(qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕、耐磨性好和良好的導(dǎo)熱性等優(yōu)異的特點(diǎn)，在工業(yè)上是重要的化工原料。

氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)的排列方式主要有以下兩種：一種是氧原子以六方體堆積排列，另一種是氧原子以立方體堆積排列分布。在這兩種晶體結(jié)構(gòu)的排列方式中，鋁原子大部分占據(jù)八面體的位置，但也有少數(shù)占據(jù)四面體位置的情況，而只有鋁原子占據(jù)八面體位置的立方晶系和六方晶系的氧化鋁結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，將Al³⁺按亞點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)劃分為各種相，氧化鋁晶型參數(shù)信息見表。

氧化鋁相的分類及密度

常見氧化鋁性質(zhì)及應(yīng)用

目前已經(jīng)知道的氧化鋁共有九種晶體形態(tài)，包括α、γ、β、η、δ、θ、χ、κ-Al_２O_３和無定型相。

（1）α-Al₂O₃性質(zhì)及應(yīng)用

α-Al₂O₃俗稱剛玉，α-Al₂O₃是白色晶體，是氧化鋁晶型中最常見和最穩(wěn)定的一種，屬于三方晶系密排堆積結(jié)構(gòu)。在α-Al₂O₃晶體結(jié)構(gòu)中，氧離子按照六方緊密堆積排列，呈ABABAB…二層重復(fù)，構(gòu)成若干八面體形狀，而鋁離子填充在每個八面體間隙中。由于氧離子和鋁離子的比例是3：2，使得鋁離子無法填滿氧離子八面體間隙，只能填充2/3間隙。在該離子晶體結(jié)構(gòu)中，氧離子和鋁離子直接的鍵合作用強(qiáng)，晶格能大，由3個氧離子構(gòu)成的相鄰兩個八面體共用一個面，無數(shù)個AlO₆八面體通過共面結(jié)合構(gòu)成整個大“分子”晶體，因此α-Al₂O₃晶體比其他晶型Al2O3穩(wěn)定，使得α-Al₂O₃晶體的物理化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，具有良好的機(jī)械力學(xué)性能和耐腐蝕性。目前α-Al₂O₃被廣泛應(yīng)用于研磨材料、耐火材料、集成電路基板和結(jié)構(gòu)功能陶瓷等領(lǐng)域。

（2）β-Al₂O₃性質(zhì)及應(yīng)用

β-Al₂O₃實(shí)際上是一種鋁酸鹽，它是由金屬氧化物和氧化鋁組成的復(fù)合化合物，它的化學(xué)式可以近似表達(dá)為R₂O·11Al₂O₃或RO·6Al₂O₃，R₂O代表堿金屬氧化物（主要是CaO和MgO），RO代表堿土金屬氧化物（主要是K₂O和Na₂O）。

β-Al₂O₃晶體與α-Al₂O₃晶體氧原子的緊密堆積排列不同，其具有層狀結(jié)構(gòu)，堿金屬離子或者堿土金屬離子層尖晶石結(jié)構(gòu)單元交替堆積而成，氧離子則按立方緊密堆積排列，金屬離子如Na⁺可以在該平面層內(nèi)快速擴(kuò)散，因此β-Al2O₃晶體可以導(dǎo)電，是一類重要的固體電解質(zhì)。因此可利用β-Al₂O₃來制備鈉-硫電池中的固態(tài)電解質(zhì)隔膜材料，還可以起到離子導(dǎo)電和隔離電池陰陽兩極的重要作用。除此之外，β-Al₂O₃還可以用作耐火材料以及電子領(lǐng)域里如用于電子手表、照相機(jī)、聽診器和心臟起搏器等器件中。

（3）γ-Al₂O₃性質(zhì)及應(yīng)用

γ-Al₂O₃是最常用的過渡態(tài)氧化鋁，在自然界中不存在，其結(jié)構(gòu)中氧離子可以被近似為立方緊密堆積，而鋁離子則不規(guī)則分布在由氧離子構(gòu)成的八面體和四面體空隙中，屬于尖晶石結(jié)構(gòu)。γ-Al₂O₃的制備工藝比較簡單，其形成溫度較低，一般在500~700℃范圍內(nèi)，γ-Al₂O₃不溶于水通常能夠溶解在酸或堿當(dāng)中。γ-Al₂O₃晶體晶粒粒徑很小，通常在5~10nm。此外，γ-Al₂O₃粉體還是一種重要的多孔性物質(zhì)，其比表面積較大，具有吸附功能好、化學(xué)反應(yīng)活性大和催化性好等優(yōu)點(diǎn)，又被稱為活性氧化鋁，它的主要用途是作為吸附劑、干燥劑和催化劑的載體，常用于石油化工和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。

（4）其它

η-Al₂O₃屬立方晶系，可由拜爾石在一定的升溫速率下在400-750℃煅燒得到。它具有和γ-Al₂O₃相差不大的孔容和比表面積，表面酸性比Al₂O₃要強(qiáng)，主要用作催化劑的載體。

δ-Al₂O₃屬四方晶系，該材料具有強(qiáng)吸附能力和催化活性，常常被用作吸附劑、干燥劑以及催化劑載體。

θ-Al₂O₃屬單斜晶系，其比表面積和孔容往往介于γ-Al₂O₃和α-Al₂O₃之間。

χ-Al₂O₃屬于六角晶系，χ-Al₂O₃主要用于天然氣和石油裂解氣的脫水干燥，同時也是水除氟，蒽醌法制備雙氧水反應(yīng)的催化劑。

κ-Al₂O₃屬六方晶系，κ-Al₂O₃可由三水鋁石在800-1150℃煅燒得到，它主要用做耐火材料結(jié)合劑、凈化劑、吸附劑等。

不同晶型氧化鋁的相轉(zhuǎn)變

在不同的晶型中，只有α-Al₂O₃為穩(wěn)定的晶相，其他各相都為過渡相，處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著溫度的升高，不穩(wěn)定過渡態(tài)氧化鋁均可轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)定的相，這是一種晶格重構(gòu)的不可逆轉(zhuǎn)變。

要獲得穩(wěn)定的α-Al₂O₃，需要從開始的原礦篩選、粉末合成到燒結(jié)的完善的工藝控制。國內(nèi)外制備高溫氧化鋁通常采用以工業(yè)氫氧化鋁或者工業(yè)氧化鋁為原料，通過脫水形成過渡相，再在高溫下經(jīng)過多次相態(tài)的轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗟腁l_２O_３。

三水鋁石（Al(OH)₃）和薄水鋁石（AlOOH）是制備α-Al_２O_３最常用的前驅(qū)體。在開始的熱處理過程中，氫氧鋁以亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡氧化鋁，最后以α-Al_２O_３熱力學(xué)穩(wěn)定相結(jié)束。另外，薄水鋁石在500～550℃的溫度范圍內(nèi)失去結(jié)構(gòu)水，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al_２O_３過渡氧化鋁。θ-Al_２O_３過渡氧化鋁到α-Al_２O_３的轉(zhuǎn)變發(fā)生在1050～1200℃的溫度范圍內(nèi)。這個過程晶向的轉(zhuǎn)變通過成核和晶粒生長機(jī)制發(fā)生，并受到晶粒尺寸、化學(xué)成分和加熱速率等參數(shù)的影響。從γ-Al_２O_３單斜相（ｄ＝3.56g/cm^-3）到α-Al_２O_３六方相（ｄ＝3.98g/cm^-3）的轉(zhuǎn)變伴隨著約10％的體積減小，會導(dǎo)致氧化鋁密度大幅增加。

工業(yè)上通常采用不同的煅燒方式將亞穩(wěn)定相態(tài)γ-Al_２O_３向α穩(wěn)定相態(tài)轉(zhuǎn)化，制備出不同形貌的α-Al_２O_３。通過控制不同的煅燒溫度、加入不同種類的添加劑、研磨方式等，可以生產(chǎn)出不同形貌的α-Al_２O_３。通常包括蠕蟲狀、片狀、柱狀、類球狀、球狀、纖維等多種形態(tài)的α-Al_２O_３晶體。

小結(jié)：

隨著國內(nèi)陶瓷工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、電子工業(yè)以及機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，氧化鋁市場需求還有很大發(fā)展空間，因此對氧化鋁的研究具有深刻意義。而了解和掌握氧化鋁的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是制備氧化鋁粉體的重要前提。不同晶型的氧化鋁，其應(yīng)用領(lǐng)域也不盡相同。α-Al_２O_３是所有氧化鋁形態(tài)中最穩(wěn)定的，生產(chǎn)上一般通過控制α-Al_２O_３晶體的生長環(huán)境，制備出不同類型的α-Al_２O_３晶體，以適應(yīng)陶瓷、耐火材料及其他新型功能材料對α-Al_２O_３不同晶體顯微結(jié)構(gòu)的需求。

參考來源：

1、胡博強(qiáng)，侯煥煥等.氧化鋁晶型變化

2、曹志強(qiáng)，陳昱錕等.α-氧化鋁的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用前景

3、張心新.明膠凝膠模板法制備片狀納米.α-Al₂O₃粉體及機(jī)理研究

4、中國粉體網(wǎng)：百科：不同晶型的氧化鋁簡介

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）

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