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趣談“氧化鋁陶瓷”

發布時間:
2019-12-19
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【摘要】:
不錯,上面的不閃閃亮的東東本質都是氧化鋁,不過今天小編不聊怎么鑒別寶石,今天來帶大家認識一下氧化鋁在工業中應用。  Al2O3在自然界主要以鋁土礦形式存在(Al2O3·3H2O)形式存在,主流工藝為拜爾法制成,其流程大概是這樣的:  Al2O3·3H2O+NaOH→NaAlO2(溶液),過濾后礦渣排走,  NaAlO2+Al(OH)3→Al(OH)3(降溫過飽和沉降),  Al(OH)3→Al2O

  不錯,上面的不閃閃亮的東東本質都是氧化鋁,不過今天小編不聊怎么鑒別寶石,今天來帶大家認識一下氧化鋁在工業中應用。

  Al2O3在自然界主要以鋁土礦形式存在(Al2O3·3H2O)形式存在,主流工藝為拜爾法制成,其流程大概是這樣的:

  Al2O3·3H2O+NaOH→NaAlO2(溶液),過濾后礦渣排走,

  NaAlO2+Al(OH)3→Al(OH)3(降溫過飽和沉降),

  Al(OH)3→Al2O3(900~1200℃烘烤)形成α型晶,

  Al(OH)3→Al2O3(140~450℃脫水),形成γ型晶。

  具體的工藝流程如下:

  這個紅色的過程的本質是將礦石粉體化,以充分的化學手段將鋁土礦中的雜質物質去除,以達到純化氧化鋁目的。我們經常的95%,99%,99。5%基本就決定于藍色字體的過程。不要小瞧了小數點后幾位,這已經屬于精細化工范疇,同時也是礎科技實力的象征。有沒有種丑小鴨變白天鵝的感覺?然而人類不滿足于獲得一只白天鵝,而是把天鵝做成各種豐盛美味佳肴(let’sdoit),制作佳肴之前,我們有必要先了解白天鵝的種類。下面我們來看看,氧化鋁的主要晶型。

  林林總總的氧化鋁大概有十幾種晶型。但是我們最常用/見的就三種:α-晶型,γ-晶型,β-晶型。其中數α-型使用量最大(意思大概就是單價不高咯)。

  不同氧化鋁陶瓷晶型轉變關系及6方晶型α-Al2O3

  這里要講一個小插曲,β-Al2O3最早是在生產玻璃的窖爐壁上耐火材料(Al2O3)中被發現的。開始人們以為是以新的Al2O3晶型,最后被證明是是一部分Na2O滲入Al2O3的內形成的多元化合物(所以嚴格來說這應當是個復合材料Σ(⊙▽⊙"a),哈哈哈。但是就這個特殊的導電性馬上讓其位列“功能材料”的行伍,身價立馬大漲。

  β-Al2O3電池比傳統電池儲能效率更高

  借此小編要告訴大家一個做人的道理:平凡的崗位上,越是踏實勤奮,經得起淬煉,積極地吸收環境養分,量變總會有引起質變的一天(廉價耐火磚吸Na秒變電芯,身價暴增)。

  此處需強插一句:材料的特性由其組份,結構決定。生產過程影響組份,結構。舉個例子:沉降法獲從鋁土礦中獲得Al2O3往往是絮狀的;進一步干燥脫水結塊形成γ晶相和α晶相混合相,看起來是一團粉末,微觀上其實存在很多范德華力作用,是一種結構松散材料。當溫度升高到1200℃時候,會有部分Al-O的化學鍵形成,γ-晶型團簇會進一步熔結形成更致致密的α-晶型團簇。松散的結構意味著很大表面面積,所以γ-晶相有一個牛逼的特點是就是比表面積特別大,可達300m2/g(我們常用的竹炭350m2/g),因此它基本是化工催化,氣體吸附行業中的明星產品。耐腐蝕,耐高溫這一點,足以秒殺其他催化劑觸媒了。但拿來鍍膜做防護膜用就白瞎(可惜、浪費~~)了。想享受氧化鋁帶高強度的保護怎么辦?只能選擇更致密的α-相氧化鋁陶瓷。然而兩者外觀來看都是白色的,使用須謹慎。

  ①3維材料:球啊、塊啊,各種陶瓷件啊

  三維材料有很多成型方法,可采用HIP/CIP(熱等靜壓/冷等靜壓),將粉體在高壓下進行壓縮。強迫粉末之間形成作用力。這種方式常用于制作靶材或者磚坯,力學性質很差。無法直接應用在承載結構中,但也是由于其不緊密的結構,熱力學性質會顯著變化,從而在隔熱材料中廣泛應用。也可以與其它陶瓷粉末/有機溶劑混合后進行鑄造,再干燥成型。同樣這種方法之制備的材料也無法直接使用,后續需要進一步加工,隨著5G時代的來領,LTCC(LowTemperatureCo-firedCeramic)這一技術已經陡然走俏,勢必會帶來一波氧化鋁應用高潮。

  將成型的胚材再高溫條件進行燒結,可獲得力學性能優秀的成品。不同的應用領域對成品會有不同的要求,在半導體集行業應用中,需要很關注陶瓷中是堿金屬含量,長期的電流&發熱環境這些堿金屬會對絕緣性造成影響(想想β-Al2O3的用途)總的來講,3維材料我們關注的氧化鋁關鍵點是(純度,晶型,熱導率,機械強度,熱熔介電常數這些參量)

  ②2維材料:薄膜材料

  制備方法

  a、PVD(physicvapordeposition):將靶材再低真空中采用等離子轟擊成納米顆粒,或者熱蒸發方式讓氧化鋁沉積再表面。經熱處理后形成有一定的強度/硬度/透過率的膜。。

  b、So-Gel(溶膠-凝膠法):使用含有Al2O3的膠體,涂敷在表面上,然后再凝膠沉積在材料表面。隨后經過熱處理形成一層薄薄的陶瓷膜。

  c、ALD(atomlayerdeposition)原子層沉積:采用還有鋁的有機化合物,與水在超高真空內在表面上進行反應,這種工藝可形成品質優良是氧化鋁納米薄膜,無論在光學,電學力學上都具有異常優秀的品質。因此,它在半導體行業中由非常重要的應用。

  d、氧化法:用氧化性物質對鋁金屬表面進行氧化處理。形成致密的氧化鋁薄膜。助融法,將K2SO4與KAl(SO4)2混合焙燒,冷卻后溶浸處理得到。

  以上前4種的方法都是需要將被處理表面與氧化鋁陶瓷(源)放置再一個環境下加工,被加工物體表面就獲得了氧化鋁所具有的功能。最后一個生產的2維材料僅僅是材料而已,必須要進一步是設計使用,與1維材料類型的用法相同(復合材料添加劑)。

  ③1維材料:晶須啊,線啊

  制備方法

  a、誘導法,將Al2O3單晶放置于與Al2O3,Al,H2O氛圍內升溫,使Al2O3沿著原來單晶方向進行生長形成納米線。

  b、Al-SiO2法:將Al粉與SiO2粉體混合在保護氣體中進行反應生長出Al2O3納米線。

  c、助融法,將K2SO4與KAl(SO4)2混合焙燒,冷卻后溶浸處理得到納米線。

  d、模板法,將有機纖維飽和吸附AlCl3后干燥放入氧化鋁干過中灼燒得到納米線。

  納米晶須是一種非常優秀的復合材料基材,優秀的力,熱學特性讓其在高溫,摩擦平頻繁的結構中應用廣泛(發動機,渦輪扇葉等等)。

  順便再提出一個名詞:復合功能材料這又是人類材料學上的一個壯舉,類似生物的雜交,可達到“一物多能”的效果。復合功能材料是未來一個重要的行業,尤其是航空航天航海,軍工,半導體等產業發揮舉足輕重的作用。

  ④0維材料:納米顆粒

  制備方法:

  a、球磨法,將氧化鋁粉體球磨進一步研磨成納米顆粒。

  b、熱分解法,將含有鋁氧的物質進行熱裂解。

  c、鋁鹽水解法等其他方法。

  總的來講,目前在制備0維氧化鋁納米材料很難克服團聚現象以及粒度均一性。球型納米顆粒的氧化鋁陶瓷具有優異力學特性及流動性,可以廣泛應用于流體填充潤滑及調節材料的流動型及保護涂層中。但是因為他有很強的自聚性,這個制備納米顆粒帶來很多不便目前還沒有廣泛的應用。

  通過以上的介紹,想必您應該對氧化鋁陶瓷這個大白鵝各種。“烹飪”方法有了大致的了解了吧?小編現在只能悄默默告訴大家,后面5G的發展,LTCC將是一個不錯的切入點。相信隨著科技的不斷發展,后面肯定會有越來越多烹飪方式。

  順便再吐槽一點,我們的精細化工還需要努力,目前高端一點的氧化鋁大多依賴進口的。

  反過來看,高規氧化鋁提出也是一個不錯吃法(需求大&價格還高)。

  文末彩蛋一枚:如何鑒別藍寶石。鎮樓圖中的寶石有自然的也有人工的,小編奉上一個專業的檢測方式[拉曼光譜法],原理如下:

  人工與自然的藍寶石因為外界經歷的環境不同。導致藍寶石內部的晶格應力稍有差異。而拉曼光譜可以>99%準確度上將2者分開。如下2張圖。歡迎大家留言回復2張圖的差一點在哪。回答正確將有“意外驚喜”

  天然藍寶石拉曼光譜(左)及人工藍寶石拉曼光譜

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