高纯氧化铝陶瓷是以高纯超细氧化铝粉体（晶相主要为α-Al₂O₃）为主要原料组成的重要陶瓷材料。高纯氧化铝陶瓷因具有机械强度高、硬度大、耐高温、耐腐蚀等优良性能而受到人们的广泛关注。

1.高纯氧化铝陶瓷的制备

高纯氧化铝陶瓷的制备对原始粉体的要求较高，一般是以纯度＞99.99％晶相为α相的氧化铝粉为主要原料。高纯超细氧化铝粉体的特征决定了最终制备高纯氧化铝陶瓷的性能。在高纯氧化铝粉体的制备过程中，要求粉体的纯度高，颗粒尺寸小且分布均匀，粉体活性高，并且团聚程度低。这样可在相对较低的温度下制得高纯氧化铝陶瓷。因此，为制备高纯氧化铝陶瓷，首先要制备出高纯氧化铝粉体。

（一）高纯氧化铝粉体的制备

目前，高纯超细氧化铝粉体主要有改良拜耳法、氢氧化铝热分解法、沉淀法、活性高纯铝水解法等制备方法。

a．改良拜耳法

拜耳法是工业上常用的制备氧化铝粉体的方法。利用该方法制备氧化铝的过程中，由于原料铝酸钠中含有大量的Si、Fe、K、Ti等杂质，使得制备的氧化铝粉体纯度有所降低。在传统制备工艺的基础上，对铝酸钠及结晶后的氧化铝进行脱杂处理，制备了纯度相对较高的氧化铝粉体，这种方法即为改良拜耳法。

该方法所用的原料主要为铝酸钠，来源广泛，整个过程中不会产生污染。但是由于其制备工艺相对复杂，导致氧化铝生产效率低，从而限制了其在更多领域中的应用。

b．氢氧化铝热分解法

氢氧化铝热分解法就是将高纯氢氧化铝加热到一定温度后煅烧分解制备高纯氧化铝粉体的方法。但是，氢氧化铝完全转化为α-Al₂O₃通常需要在1200℃左右的高温，如此高的煅烧温度会促使氧化铝晶粒迅速生长，形成硬团聚粉体，影响产品的性能。因此，降低的α-Al₂O₃相转变温度一度成为研究的热门。

c．沉淀法

沉淀法是指通过向原料中引入适量的沉淀剂，使原料液中各种形式的Al3+离子氢氧化铝沉淀的形式析出，氢氧化铝沉淀物经过滤、脱杂、烘干、高温煅烧等过程制备高纯超细氧化铝粉体的过程。

d．活性高纯铝水解法

活性高纯铝水解法是利用活性较高的金属铝与水反应生成氢氧化铝，产物经过干燥、高温煅烧后制得高纯氧化铝的一种方法。该方法操作简单、生产成本低，但制备的氧化铝纯度可能会有所降低。反应方程如下所示：

（二）高纯氧化铝陶瓷的制备方法

在获得高纯氧化铝粉体后，将其制备成成型良好的素坯，根据产品要求与成本，选择合适的烧结方法来制备高纯氧化铝陶瓷。目前，常用的烧结方法包括：常压烧结、热压烧结、两步烧结、放电等离子体烧结、微波烧结等。

a．常压烧结(PS)

采用常压烧结方法，高纯氧化铝陶瓷通常需要在高于1600℃下才能烧结致密，较高烧结温度能会导致氧化铝晶粒异常长大，烧结体致密化程度降低，从而影响高纯氧化铝陶瓷的性能。减小粉体颗粒的平均尺寸，添加适当的添加剂，采用特殊的成型方法等通常可降低高纯氧化铝陶瓷的烧结温度。

b．热压烧结(HPS)

热压烧结即在烧结过程中施加一定的压力，压力的存在使原子扩散速率增大，烧结驱动力增加，从而加快烧结过程。然而，在高压条件下，烧结体中会出现垂直于压力方向定向生长的晶粒，为避免这种现象，可以选用热等静压烧结(HIP)的方法。

图1 热压烧结炉实物及示意图

c．两步烧结(TSS)

两步烧结法即将坯体加热到一个特定温度T1以排除坯体中的亚临界气孔，然后降至一个较低温度T2使坯体达到致密。在两步烧结法中的低温烧结阶段，由于晶界迁移比晶界扩散所需要的活化能高，所以这一阶段主要以晶界扩散为主。因此，在两步烧结法中的第二个阶段，坯体不断致密化，但晶粒不会生长过快。

d．放电等离子体烧结(SPS)

放电等离子烧结(SPS)是将原料粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于原料粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成烧结过程。由于SPS能够快速烧结和可在较低温度下实现精细陶瓷结构的致密化，可有效抑制晶粒的异常长大，适于制备致密化程度高、晶粒尺寸细小的高纯氧化铝陶瓷。

图2 放电等离子体烧结炉及示意图

e．微波烧结(MWS)

微波烧结是利用材料内部的精细结构与微波中的特殊波段耦合产生热量对材料进行加热，使材料整体达到烧结温度进而实现陶瓷致密化的新型烧结技术，具有升温速率快，并抑制晶粒快速生长的特点。微波烧结与传统烧结具有相似的烧结机理，但微波烧结可在短时间内制得晶粒尺寸良好的烧结体。微波烧结法也存在一定缺陷，即过快的升温速率可能会导致某位置的晶粒异常长大，使烧结体中的气孔增多。

图3 微波烧结炉及示意图

2.高纯氧化铝陶瓷的应用

高纯氧化铝陶瓷具有机械强度高、硬度大、耐高温、耐腐蚀等优良性能，应用非常广泛。

a．机械方面

高纯氧化铝陶瓷具有优良的机械性能。采用常压烧结方法可制备抗折强度约为250MPa的高纯氧化铝陶瓷，而采用热压烧结方法制备的高纯氧化铝陶瓷，其抗折强度可达500MPa，硬度可达9GPa（莫氏硬度）。利用高纯氧化铝陶瓷的这些特性，可将其用作磨轮、陶瓷钉等，其中应用最为广泛的是高纯氧化铝陶瓷刀具和高纯氧化铝陶瓷球。由于高纯氧化率陶瓷的断裂韧性和抗热震性比较差，通常需要向氧化铝中引入第二相，如ZrO₂等，以提高高纯氧化铝陶瓷材料的韧性和抗热震性。

图4 氧化铝基陶瓷刀具和陶瓷球

b．电子、电力方面

高纯氧化铝陶瓷的高频介电损耗小，绝缘性能优良，可用于制备绝缘性器件、陶瓷基片及透明氧化铝陶瓷等。其中，应用比较广泛的为透明氧化铝陶瓷，在许多特种光学仪器、照明设备及空间卫星设备等方面得到广泛应用。

图5 氧化铝陶瓷基片及氧化铝透明陶瓷

c．医学方面

高纯氧化铝陶瓷因具有良好的生物相容性、机械性能及化学稳定性，可广泛用于制备人造骨骼、人造牙齿及人造关节等，将其植入人体，不会引起人体的排斥反应。

图6 氧化铝基人造关节和牙齿

参考文献：

[1]代金山. 高纯氧化铝陶瓷的常压与热压烧结及性能研究[D]. 山东建筑大学, 2016.

[2]王立成. 纳米氧化铝晶粒改性及分散的研究[D]. 大连理工大学, 2014.

作者：刘洋