氧化鋁理化特性對生產的影響及其檢測

林珊

摘 要：本文通過對氧化鋁原料理化性能對氧化鋁陶瓷生產的影響進行分析，提出在氧化鋁陶瓷生產中應該進行的檢測要求，檢測結果可為生產和科研提供有效數(shù)據(jù)，保證產品的性能和質量。

關鍵詞：氧化鋁；氧化鋁陶瓷；檢測

1 前言

在陶瓷生產中，為提高產品的性能和拓寬產品的用途，添加功能材料是歷史悠久的做法，其中添加氧化鋁粉最為常用。氧化鋁陶瓷也是氧化物陶瓷中應用最廣、產量最大的陶瓷。據(jù)不完全統(tǒng)計，氧化鋁陶瓷的應用包括：陶瓷刀具、工業(yè)用閥、電子配件、化工陶瓷（濾膜、涂層等）、醫(yī)用陶瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷、耐火陶瓷材料、航空航天陶瓷等等。

氧化鋁陶瓷中氧化鋁粉的加入量對產品有不同的影響，氧化鋁的理化特性對產品的影響非常明顯，檢測并控制氧化鋁粉的特性指標對生產有著重要意義。普通型氧化鋁陶瓷以產品中氧化鋁含量分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷，氧化鋁含量在75%以上都歸為普通高鋁瓷。還有更多添加氧化鋁的陶瓷產品，其氧化鋁含量在40%以上，即便氧化鋁的加入量不高，產品的性能也已發(fā)生變化。最顯著的性能提高有：硬度、強度、耐高溫、耐磨性等等。

氧化鋁本身的特性具有多樣化，比如化學成分、晶型組成、微觀結構、顆粒級配等，這些特性正是影響產品的重要因素。由于各項特性指標的不同，可能導致生產過程中產品收縮程度不同、燒結溫度不同，而最終使產品性能大打折扣。研究氧化鋁的特性及檢測方法，分析檢測數(shù)據(jù)的變化，對生產用料及生產工藝都有指導意義。

目前最常用的氧化鋁及產品的檢測方法有很多，氧化鋁粉檢測的國家標準為《GB/T6609-2009氧化鋁化學分析方法和物理性能測定方法》系列，該法對氧化鋁樣品的化學成分、物理性能中的安息角、松裝密度、顆粒度、吸附指數(shù)、α-Al2O3含量、磨損指數(shù)、流動指數(shù)等的檢測都進行了規(guī)定。與氧化鋁相關的國家標準還有：《GB/T 2479-2008普通磨料：白剛玉》、《GB/T 3044-2007 白剛玉、鉻剛玉化學分析方法》、《GB/T 15154-1994 電子陶瓷用氧化鋁粉體材料》等。

而關于氧化鋁陶瓷產品，無論是國家標準，行業(yè)標準都非常多，比如《GB/T 27979-2011 氧化鋁耐磨陶瓷復合襯板》、《JC/T2024—2010 陶瓷金鹵燈用半透明氧化鋁管》、《JC/T848.1-2010 耐磨氧化鋁球》、《JC/T848.2-2010耐磨氧化鋁襯磚》等等，在這里不一一列舉。

本文主要是通過分析氧化鋁原料理化特性對氧化鋁陶瓷生產的影響，提出相應的檢測方法，建議氧化鋁陶瓷生產企業(yè)選擇合適的方法監(jiān)控生產，以便使結果更具針對性，為產品研究和質量控制提供科學的幫助。

2 氧化鋁的理化性能對氧化鋁陶瓷生產的影響及檢測

2.1氧化鋁純度與α-Al2O3含量

氧化鋁陶瓷原料中的氧化鋁粉對陶瓷產品性能起重要作用的因素是其中的α-Al2O3晶相氧化鋁，氧化鋁有12種晶相，最常見的3種是α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3。

α-Al2O3的特點是晶體結構緊密，硬度大、耐磨損、耐腐蝕、高溫穩(wěn)定，氧化鋁陶瓷的優(yōu)異性能源自原料中α-Al2O3的加入量。工業(yè)Al2O3中含有較多γ—Al2O3和β—Al2O3，而γ—Al2O3有較強的吸水性，并在加熱至1200℃以上不可逆地轉變?yōu)棣痢狝l2O3，同時伴有14%左右的體積收縮，β—Al2O3含有Na2O、CaO等堿性成分，影響產品的最終性能，所以為消除這些不良影響，在制坯前應該對工業(yè)Al2O3進行預燒，目的就是消除過大收縮和除去Na2O等物質，提高原料的純度。

隨著產業(yè)分工細化，工業(yè)氧化鋁的預燒由氧化鋁生產廠家完成。生產企業(yè)作為原料使用者，首先要監(jiān)控氧化鋁的純度。依據(jù)《GB/T6609氧化鋁化學分析方法和物理性能測定方法》標準第34部分，大于98%質量分數(shù)的氧化鋁含量需檢測其雜質含量后再進行計算，GB/T6609標準第1～21部分是對氧化鋁中可能存在的化學成分進行檢測的方法，其中原子吸收光譜法、分光光度法為主要方法。比較先進的方法是用X射線熒光光譜法迅速測定氧化鋁粉末中的全部化學成分，該法的測定范圍更大，氧化鋁含量大于45%均在該法的測定范圍。氧化鋁質量分數(shù)大于99.9%的氧化鋁則需要更高科技的檢測方法，如ICP-MS方法。

其次是要測定α-Al2O3的含量，依據(jù)GB/T6609標準第32部分，規(guī)定了測定α-Al2O3含量采用X射線衍射方法。盡管α-Al2O3能帶給產品許多優(yōu)異性能，但是γ—Al2O3具有較強的化學活性，對吸附材料有一些作用。

2.2顆粒度與微觀形狀

許多研究表明，氧化鋁的顆粒度對制品的性能影響很大，降低氧化鋁的粉體粒度，更有利于制品的高性能形成。一般，工業(yè)氧化鋁經過1400℃的預燒，其中的γ—Al2O3轉換成α-Al2O3，松散的粉體會結聚，轉換后的α-Al2O3晶粒會長大，所以使用預燒過的氧化鋁需進行研磨，研磨工序也由氧化鋁生產廠家完成。經研磨后的氧化鋁粒度變細，有利于提高制品的斷裂韌性、耐磨性，氧化鋁陶瓷生產企業(yè)應根據(jù)科研和生產的要求，選定不同粒度的氧化鋁粉體，進行原料和配料的顆粒級配監(jiān)控，保證原料的穩(wěn)定性。

《GB/T6609氧化鋁化學分析方法和物理性能測定方法》標準中對20μm和更大粒度的氧化鋁顆粒度的測定規(guī)定了3個方法，分別是第27部分、第28部分和第37部分，這些方法主要針對中粒度和大粒度氧化鋁粉末制定的，采用的是篩分的方法。對于微小粒度的氧化鋁粉末的顆粒度測定，無論是專門的檢測機構還是企業(yè)的質量監(jiān)控都是采用激光粒度儀進行檢測。

經過1400℃預燒的氧化鋁，其顆粒呈不規(guī)則的長片狀，帶有齒邊（圖1）；經研磨后，氧化鋁顆粒呈等軸狀，接近球形顆粒狀，有些帶有棱角（圖2）。研磨時間越長，顆粒越細，這樣的球狀顆粒效果更明顯，使用效果更佳。

有條件的生產企業(yè)，可以進行原料和制品的微觀結構檢測和研究，通過掃描電鏡檢測可獲得放大至幾十萬倍的顆粒形貌，為研究和生產提供幫助。

球狀顆粒均勻分散在制品配料中，不同大小的顆粒級配互相填充能得到相對致密的坯體，并且坯體不易斷裂，制品的強度、韌性等機械性能相對更好。

2.3流動性與分散性

氧化鋁無論作為主原料還是添加原料，均勻分布在配料中是制品性能穩(wěn)定的重要條件之一。這一條件取決于原料的流動性和分散性，工業(yè)氧化鋁是松散的結晶粉末，分散度較高；高溫煅燒過的氧化鋁，已形成長片狀，分散性較差，流動性也差。經過研磨，顆粒形狀改善，流動性提高，分散性也得到提高。

《GB/T6609氧化鋁化學分析方法和物理性能測定方法》標準第31部分：流動角的測定、第36部分：流動時間的測定，可以評價氧化鋁的流動性與分散性。第24部分：安息角的測定也可以評價氧化鋁的一些性能。如當氧化鋁的粒徑越小，安息角會較大；氧化鋁的粒子比較光滑，安息角就會較小，間接表征了原料的流動性與分散性。

2.4可塑性與燒成收縮

氧化鋁是瘠性原料，氧化鋁加入量越大的氧化鋁陶瓷配料塑性越差，需要加入粘結劑。配料達到合適的塑性指數(shù)，成形效果最好，坯體干燥時不易開裂。對于不同氧化鋁加入量的制品配方，粘結劑的加入量也不一樣，對于每一配方都有適合的塑性指數(shù)，研究塑性指數(shù)與制品性能的關系，調節(jié)粘結劑的加入量，對于生坯干燥和素燒工序的時間和溫度設定能提供有效依據(jù)。塑性指數(shù)由可塑性儀進行測定。

由于氧化鋁顆粒形狀的原因，壓制成形的氧化鋁陶瓷制品可能在受壓的垂直和平行方向出現(xiàn)不一樣的收縮率，影響生坯的干燥和制品的燒成效果，嚴重時造成產品尺寸差異或變形、開裂等。經過預燒和研磨的氧化鋁顆粒形狀比較對稱，這種負面的影響會降低。檢測加入不同氧化鋁原料的坯體收縮率，并加以控制，有利于提高產品質量。測定收縮率由車間進行更合理，樣片的產銷壓力、煅燒過程與產品的條件一致，結果更接近生產需要。

2.5其他相關指標

氧化鋁陶瓷的優(yōu)異性能源自優(yōu)質氧化鋁原料的加入，評價氧化鋁質量的指標有很多，其中比重也是重要指標之一。不同晶相氧化鋁的比重不同，α-Al2O3的比重為3.96～4.01g/cm3，β-Al2O3的比重為3.30～3.63g/cm3，γ-Al2O3比重為3.42～3.47g/cm3。通過測定原料比重可以初步判定α-Al2O3的含量是否滿足使用要求。比重測定用比重瓶法，也可以用真密度儀法。

《GB/T6609氧化鋁化學分析方法和物理性能測定方法》標準有對氧化鋁松裝密度、有效密度、吸附指數(shù)、磨損指數(shù)、比表面積的檢測方法，對不同產品的工藝需要提供了一定的幫助。

其中松裝密度決定成形模腔的裝粉高度。影響氧化鋁粉松裝密度的因素很多，如顆粒形狀、尺寸、表面粗糙度及粒度分布等。在生產中，為了保證制品密度的一致，必須要求粉末松裝密度穩(wěn)定。

3 結論

氧化鋁陶瓷的優(yōu)異性能來自氧化鋁的優(yōu)異特性，氧化鋁陶瓷生產從原料利用到生產規(guī)模都越來越廣泛，優(yōu)質的氧化鋁價格昂貴，氧化鋁陶瓷生產歷經原料的優(yōu)選與加工、配方的研制、成形方案的設計、坯體的干燥與素燒、燒結溫度的制定和執(zhí)行、后精細加工等復雜冗長的工序，批量生產若出現(xiàn)差錯損失會很嚴重，嚴格控制每一工序的質量非常重要，而控制氧化鋁的純度、α-Al2O3含量、顆粒級配的穩(wěn)定性尤為重要，配合生產的要求進行檢測，是最有效的監(jiān)控方式。

通過檢測保證生產質量，通過對檢測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)研究，還能開發(fā)出功能新穎、更符合現(xiàn)代需求的氧化鋁陶瓷產品。

氧化鋁的各項檢測的結果既相關又分別表述了不同特性，檢測做得越細對氧化鋁陶瓷的性能判定和了解也更精確，積累和總結檢測結果對氧化鋁陶瓷產品的研究和生產具有科學意義。

參考文獻

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