氧化鋁化學(xué)元素的應(yīng)用與檢測

武繼平 國家電投集團山西鋁業(yè)有限公司

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國是全球最大的氧化鋁生產(chǎn)國，中國氧化鋁的產(chǎn)量在2010年占到了全球比重的51.38%。因為氧化鋁具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，所以，在工業(yè)制造業(yè)中相當重要。生產(chǎn)氧化鋁的過程中，對于雜質(zhì)并不能完全去除，所以，就需要對氧化鋁中化學(xué)元素進行檢測。

一、氧化鋁的基本特性和發(fā)展歷史

（一）氧化鋁的基本特性

氧化鋁，又叫三氧化二鋁，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為Al2O3，硬度高，顏色為白色，而且是粉末狀的固體，是鋁和氧的化合物，熔沸點很高，不溶于水，絕緣性好，在工業(yè)上又被稱為礬土。氧化鋁是兩性氧化物，所以能溶于堿性、無機酸溶液中。迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了10余種氧化鋁的同質(zhì)異晶體，這些同質(zhì)異晶體的性質(zhì)各不相同。由于氧化鋁容易受潮，所以要密封干燥保存。工業(yè)中生產(chǎn)氧化鋁，一般是從鋁土礦提取，然后分離雜質(zhì)。鋁土礦的種類很多，所以需要根據(jù)不同的類型來生產(chǎn)，主要生產(chǎn)方法有電熱法、酸法和堿法。

（二）氧化鋁的發(fā)展歷史

據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國氧化鋁的產(chǎn)量占世界氧化鋁產(chǎn)量的一半還多，并且持續(xù)增長，是氧化鋁的第一生產(chǎn)大國。2018年預(yù)計我國氧化鋁的產(chǎn)量將達到七千多萬噸，增幅高達百分之九。目前，我國氧化鋁的產(chǎn)量逐年攀升。而且氧化鋁現(xiàn)在是國際大宗原材料商品，需求量很高，價格也在持續(xù)上漲。當前，我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷完善，對氧化鋁的需求很大，這些都會促進我國氧化鋁產(chǎn)業(yè)進一步地發(fā)展壯大。

二、氧化鋁的應(yīng)用范圍

氧化鋁具有硬度高、耐腐蝕、絕緣性好等特點，因此被廣泛應(yīng)用到工業(yè)和制造業(yè)的各個領(lǐng)域，而且進入到普通百姓的生活中。

（一）應(yīng)用于陶瓷和復(fù)合材料中

高硬度和絕緣材料在日常生活中的需求很大。氧化鋁的硬度很高，所以被應(yīng)用到陶瓷的生產(chǎn)中，通過加入氧化鋁粉末，可以增加陶瓷的硬度，并且耐磨損。另外還可以使陶瓷的燒結(jié)溫度降低，提高了低溫條件下陶瓷的可塑性，這是因為氧化鋁具有很高的超塑性。為了滿足更多的實際需求，就會在合成鍛造材料時，加入氧化鋁粉末，然后合成新的材料，新的材料就可以擁有氧化鋁的部分特性。

（二）應(yīng)用于表面的防護層材料

氧化鋁薄膜是金屬鋁被氧化后形成的，能夠保護金屬。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋁薄膜的成分是氧化鋁粒子，而且呈透明狀態(tài)，可以使金屬的硬度、耐腐蝕性提高，還可以防水防塵。在進行工業(yè)生產(chǎn)時，氧化鋁薄膜在材料表面的涂抹，能夠降低機器零件的腐蝕和磨損程度，使產(chǎn)品的使用壽命延長。

（三）應(yīng)用于吸附和催化材料

工業(yè)生產(chǎn)中，氧化鋁可以被當作催化劑，煉油廠的單質(zhì)硫就是利用氧化鋁從硫化氫廢氣中轉(zhuǎn)化而來，還可以幫助醇脫水，形成烯烴。氧化鋁是催化劑載體，比如應(yīng)用于脫硫和聚合反應(yīng)。除此之外，氧化鋁粉末大于表面積，所以還可以被用來去除氣體中的水分。

（四）應(yīng)用于生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域越來越多的開始使用氧化鋁納米材料，而且應(yīng)用范圍廣泛，是生命科學(xué)中的一項技術(shù)創(chuàng)新。由于氧化鋁的抗腐蝕性很強，所以如果氧化鋁生物陶瓷在物理環(huán)境中應(yīng)用，不會被腐蝕，可以實現(xiàn)與人體結(jié)構(gòu)的相容，并且在多孔的生物陶瓷中新生組織可以很好的生長，提高了和機體組織的結(jié)合度，而且磨損率低、摩擦系數(shù)低，所以被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床上，主要是用于人工關(guān)節(jié)的修復(fù)中。

（五）應(yīng)用于單晶藍寶石

氧化鋁的單晶透波性能極強，基本上能透過所有的光波和可見光，比如，紅外線、紫外線等，是其他產(chǎn)品不能比的。所以，氧化鋁單晶可以滿足不同種類產(chǎn)品復(fù)合制造過程的需求，一般是用來制作光電行業(yè)、軍工行業(yè)的窗口材料。而且藍寶石單晶內(nèi)部構(gòu)造完美無缺，光源在單晶藍寶石中基本不會發(fā)生散射，不會有強度的損失，是目前透波部件的首選材料。單晶藍寶石的硬度較高，導(dǎo)熱和絕緣性能也極佳，所以經(jīng)常被用在集成電路的襯底中。比如，在超高速集成電路的制作中，被應(yīng)用于發(fā)光二極管中，可以代替氮化硅。另外，氧化鋁單晶藍寶石，在光學(xué)通信導(dǎo)體中的應(yīng)用是可以用來制作光纖接頭盒。

（六）應(yīng)用于透明陶瓷

目前，高純度的氧化鋁被用于制作透明陶瓷，而透明陶瓷是制作高壓鈉燈管的首選材料，高壓鈉燈的發(fā)光效率很好，主要是利用鈉蒸汽放電產(chǎn)生光源。但是，高壓鈉燈產(chǎn)生光源的溫度很高，一般的燈管都達不到這種高強度腐蝕的要求，比如，玻璃燈管。但是透明陶瓷材料就能達到這種要求，而且由于氧化鋁的高純度，使得高壓鈉燈的性能得到了充分地發(fā)揮，并且廣泛地被應(yīng)用到實際生活中。隨著高純度納米氧化鋁的上市，可以制作出性能更好地光學(xué)陶瓷，比透明陶瓷的效果更好，所以已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用。

（七）應(yīng)用于其他領(lǐng)域

首先，高純度的氧化鋁能夠制作發(fā)光材料，比如熒光粉中就含有氧化鋁，而且比傳統(tǒng)的熒光粉發(fā)光效果好。其次，氧化鋁還可被用在精密拋光工業(yè)中，雜質(zhì)的含量會在拋光后降低，顆粒更細小，能達到很高的光澤度和拋光效果，所以可以在有鏡面效果需求的半導(dǎo)體材料中應(yīng)用，而且很少會有缺陷。另外，氧化鋁被應(yīng)用于鋰電池的制作中，主要是用作陶瓷涂層，首先選取高純度的氧化鋁，然后和其他材料調(diào)配成涂層漿料，然后在電池正負極隔膜上涂刷，從而減少因為過高的電池溫度而造成的短路情況。這主要是利用了氧化鋁耐高溫、絕緣的特點，實現(xiàn)了鋰電池工藝的創(chuàng)新和使用壽命的延長，而且還減少能源的浪費。除此之外，氧化鋁還被應(yīng)用于涂料中，通過高純度納米氧化鋁的加入，能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的保護膜，硬度很高而且細膩，能夠保護油漆表層下的漆層，還不會影響油漆的透明度。氧化鋁的加入，可以使涂料的耐刮性和耐磨性增強，因此經(jīng)常被應(yīng)用到汽車油漆的制作中。氧化鋁還被應(yīng)用于玻璃行業(yè)中，還因為強度和硬度高，在研磨切削行業(yè)和防彈材料中廣泛應(yīng)用。最后，含氟水中的除氟也會使用氧化鋁，主要是把氧化鋁制作成為吸附劑，然后完成含氟水的除氟。

三、氧化鋁的應(yīng)用受自身質(zhì)量指標影響

據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，氧化鋁的質(zhì)量指標會影響到它的應(yīng)用效果。比如，氧化鋁的粒度分布不一樣，應(yīng)用的行業(yè)也不一樣。陶瓷材料中使用的是3N的氧化鋁粉體，熒光粉中使用的是4N的氧化鋁粉體，而且是高純度的。另外，氧化鋁中所含雜質(zhì)的數(shù)量也會影響到它的應(yīng)用，比如，氧化鈉的含量可以影響到產(chǎn)品的絕緣性能和機械強度。如果氧化鈉的含量高，那么就會減弱產(chǎn)品的強度和絕緣性能。氧化鋁中氧化鐵和二氧化硅的含量高，就會減弱陶瓷材料的性能。除此之外，水分的含量也會影響到氧化鋁的應(yīng)用和產(chǎn)品品質(zhì)。

四、檢測氧化鋁中化學(xué)元素的方法

（一）使用原子吸收光譜法（AA）進行檢測

原子吸收光譜法是常用的氧化鋁化學(xué)元素檢測方法，這種檢測方法通過原子吸收光譜儀來分析化學(xué)元素，原理就是分離出需要檢測的元素，然后定量分析基態(tài)原子產(chǎn)生的特性輻射線，從而確定所檢測元素的成分，而且還可以同時使用微量測定方式。原子吸收光譜法檢測氧化鋁元素的準確度和精確度都很高。

（二）使用分光光度計法進行檢測

分光光度計法也是比較常用的氧化鋁化學(xué)元素檢測方法，工作原理根據(jù)元素的吸光性能，然后分析計算后續(xù)的數(shù)據(jù)，最后推算出氧化鋁化學(xué)元素的成分。分光光度計法分辨率比較高，比較穩(wěn)定，而且應(yīng)用范圍廣?，F(xiàn)在有很多項目都是使用分光光度計法，比如五氧化二磷的測定使用的是鉬藍分光光度法，二氧化硅的測定則使用的是鉬藍光度法。

（三）使用火焰原子吸收光譜法進行檢測

這種檢測方法比較復(fù)雜，主要是通過火焰原子吸收光譜法定量分析待檢測化學(xué)元素吸收特征輻射線的程度，最終確定氧化鋁化學(xué)元素的成分，常量分析和微量測定都可以做。這種檢測方法要求實驗試劑的純度較高，而且有難度，但是檢測結(jié)果可靠。一般用來檢測氧化鋁中的其他氧化物，例如氧化鎂、氧化鈣和氧化錳等。

（四）使用電感耦合等離子體光譜法（ICP-AES）進行檢測

電感耦合等離子光譜法，一般是應(yīng)用于同步測定多個元素。優(yōu)勢在于簡便、快速、具有很高的靈敏度。具體的檢測步驟是，首先是先溶解待檢測化學(xué)元素，溶解的方法有：第一，在聚四氟乙烯密封容器中加入鹽酸，并且保持恒溫，然后放入檢測樣品進行溶解。第二，使用高溫高壓的微波消解系統(tǒng)對檢測樣品進行溶解。之后，把溶液放入電感耦合等離子體光譜儀，然后對溶液使用離子體光源，完成激發(fā)，最后通過光譜測定成分。重點是溶解化學(xué)元素的酸會影響到檢測結(jié)果，所以對酸的要求比較苛刻。

（五）使用電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）進行檢測

這種檢測方法是電感耦合等離子體光譜法的升級版。工作原理是，先對化學(xué)元素進行溶解，之后霧化，然后在等離子體光源中放置，隨后通過高溫使之汽化，再對離子化的氣體進行分離，最后，通過離子的譜峰強度完成成分的測定。這種方法的優(yōu)點是，檢測元素不受限制，包括對純度很高的氧化鋁進行檢測，并且檢測結(jié)果比較精確。

（六）使用輝光放電質(zhì)譜法（GD-MS）進行檢測

輝光放電質(zhì)譜法是一種新型的氧化鋁化學(xué)元素檢測方法。需要使用輝光放電源，主要是串聯(lián)質(zhì)譜儀和離子源，然后通過相關(guān)技術(shù)分析測定氧化鋁中化學(xué)元素的成分。這種檢測方法比較高效，而且操作簡單，所以現(xiàn)在得到了廣泛的應(yīng)用。

五、結(jié)語

綜上所述，本文主要對氧化鋁進行了概述，介紹了氧化鋁目前的應(yīng)用范圍以及檢測氧化鋁中化學(xué)元素的具體方法。