高純氧化鋁陶瓷是以高純超細氧化鋁粉體（晶相主要為α-Al₂O₃）為主要原料組成的重要陶瓷材料。高純氧化鋁陶瓷因具有機械強度高、硬度大、耐高溫、耐腐蝕等優良性能而受到人們的廣泛關注。

1.高純氧化鋁陶瓷的制備

高純氧化鋁陶瓷的制備對原始粉體的要求較高，一般是以純度＞99.99％晶相為α相的氧化鋁粉為主要原料。高純超細氧化鋁粉體的特征決定了最終制備高純氧化鋁陶瓷的性能。在高純氧化鋁粉體的制備過程中，要求粉體的純度高，顆粒尺寸小且分布均勻，粉體活性高，并且團聚程度低。這樣可在相對較低的溫度下制得高純氧化鋁陶瓷。因此，為制備高純氧化鋁陶瓷，首先要制備出高純氧化鋁粉體。

（一）高純氧化鋁粉體的制備

目前，高純超細氧化鋁粉體主要有改良拜耳法、氫氧化鋁熱分解法、沉淀法、活性高純鋁水解法等制備方法。

a．改良拜耳法

拜耳法是工業上常用的制備氧化鋁粉體的方法。利用該方法制備氧化鋁的過程中，由于原料鋁酸鈉中含有大量的Si、Fe、K、Ti等雜質，使得制備的氧化鋁粉體純度有所降低。在傳統制備工藝的基礎上，對鋁酸鈉及結晶后的氧化鋁進行脫雜處理，制備了純度相對較高的氧化鋁粉體，這種方法即為改良拜耳法。

該方法所用的原料主要為鋁酸鈉，來源廣泛，整個過程中不會產生污染。但是由于其制備工藝相對復雜，導致氧化鋁生產效率低，從而限制了其在更多領域中的應用。

b．氫氧化鋁熱分解法

氫氧化鋁熱分解法就是將高純氫氧化鋁加熱到一定溫度后煅燒分解制備高純氧化鋁粉體的方法。但是，氫氧化鋁完全轉化為α-Al₂O₃通常需要在1200℃左右的高溫，如此高的煅燒溫度會促使氧化鋁晶粒迅速生長，形成硬團聚粉體，影響產品的性能。因此，降低的α-Al₂O₃相轉變溫度一度成為研究的熱門。

c．沉淀法

沉淀法是指通過向原料中引入適量的沉淀劑，使原料液中各種形式的Al3+離子氫氧化鋁沉淀的形式析出，氫氧化鋁沉淀物經過濾、脫雜、烘干、高溫煅燒等過程制備高純超細氧化鋁粉體的過程。

d．活性高純鋁水解法

活性高純鋁水解法是利用活性較高的金屬鋁與水反應生成氫氧化鋁，產物經過干燥、高溫煅燒后制得高純氧化鋁的一種方法。該方法操作簡單、生產成本低，但制備的氧化鋁純度可能會有所降低。反應方程如下所示：

（二）高純氧化鋁陶瓷的制備方法

在獲得高純氧化鋁粉體后，將其制備成成型良好的素坯，根據產品要求與成本，選擇合適的燒結方法來制備高純氧化鋁陶瓷。目前，常用的燒結方法包括：常壓燒結、熱壓燒結、兩步燒結、放電等離子體燒結、微波燒結等。

a．常壓燒結(PS)

采用常壓燒結方法，高純氧化鋁陶瓷通常需要在高于1600℃下才能燒結致密，較高燒結溫度能會導致氧化鋁晶粒異常長大，燒結體致密化程度降低，從而影響高純氧化鋁陶瓷的性能。減小粉體顆粒的平均尺寸，添加適當的添加劑，采用特殊的成型方法等通常可降低高純氧化鋁陶瓷的燒結溫度。

b．熱壓燒結(HPS)

熱壓燒結即在燒結過程中施加一定的壓力，壓力的存在使原子擴散速率增大，燒結驅動力增加，從而加快燒結過程。然而，在高壓條件下，燒結體中會出現垂直于壓力方向定向生長的晶粒，為避免這種現象，可以選用熱等靜壓燒結(HIP)的方法。

圖1 熱壓燒結爐實物及示意圖

c．兩步燒結(TSS)

兩步燒結法即將坯體加熱到一個特定溫度T1以排除坯體中的亞臨界氣孔，然后降至一個較低溫度T2使坯體達到致密。在兩步燒結法中的低溫燒結階段，由于晶界遷移比晶界擴散所需要的活化能高，所以這一階段主要以晶界擴散為主。因此，在兩步燒結法中的第二個階段，坯體不斷致密化，但晶粒不會生長過快。

d．放電等離子體燒結(SPS)

放電等離子燒結(SPS)是將原料粉末裝入石墨等材質制成的模具內，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結電源和壓制壓力施加于原料粉末，經放電活化、熱塑變形和冷卻完成燒結過程。由于SPS能夠快速燒結和可在較低溫度下實現精細陶瓷結構的致密化，可有效抑制晶粒的異常長大，適于制備致密化程度高、晶粒尺寸細小的高純氧化鋁陶瓷。

圖2 放電等離子體燒結爐及示意圖

e．微波燒結(MWS)

微波燒結是利用材料內部的精細結構與微波中的特殊波段耦合產生熱量對材料進行加熱，使材料整體達到燒結溫度進而實現陶瓷致密化的新型燒結技術，具有升溫速率快，并抑制晶粒快速生長的特點。微波燒結與傳統燒結具有相似的燒結機理，但微波燒結可在短時間內制得晶粒尺寸良好的燒結體。微波燒結法也存在一定缺陷，即過快的升溫速率可能會導致某位置的晶粒異常長大，使燒結體中的氣孔增多。

圖3 微波燒結爐及示意圖

2.高純氧化鋁陶瓷的應用

高純氧化鋁陶瓷具有機械強度高、硬度大、耐高溫、耐腐蝕等優良性能，應用非常廣泛。

a．機械方面

高純氧化鋁陶瓷具有優良的機械性能。采用常壓燒結方法可制備抗折強度約為250MPa的高純氧化鋁陶瓷，而采用熱壓燒結方法制備的高純氧化鋁陶瓷，其抗折強度可達500MPa，硬度可達9GPa（莫氏硬度）。利用高純氧化鋁陶瓷的這些特性，可將其用作磨輪、陶瓷釘等，其中應用最為廣泛的是高純氧化鋁陶瓷刀具和高純氧化鋁陶瓷球。由于高純氧化率陶瓷的斷裂韌性和抗熱震性比較差，通常需要向氧化鋁中引入第二相，如ZrO₂等，以提高高純氧化鋁陶瓷材料的韌性和抗熱震性。

圖4 氧化鋁基陶瓷刀具和陶瓷球

b．電子、電力方面

高純氧化鋁陶瓷的高頻介電損耗小，絕緣性能優良，可用于制備絕緣性器件、陶瓷基片及透明氧化鋁陶瓷等。其中，應用比較廣泛的為透明氧化鋁陶瓷，在許多特種光學儀器、照明設備及空間衛星設備等方面得到廣泛應用。

圖5 氧化鋁陶瓷基片及氧化鋁透明陶瓷

c．醫學方面

高純氧化鋁陶瓷因具有良好的生物相容性、機械性能及化學穩定性，可廣泛用于制備人造骨骼、人造牙齒及人造關節等，將其植入人體，不會引起人體的排斥反應。

圖6 氧化鋁基人造關節和牙齒

參考文獻：

[1]代金山. 高純氧化鋁陶瓷的常壓與熱壓燒結及性能研究[D]. 山東建筑大學, 2016.

[2]王立成. 納米氧化鋁晶粒改性及分散的研究[D]. 大連理工大學, 2014.

作者：劉洋