氧化铝是市场上最受欢迎的陶瓷之一。根据市场调查， 全球氧化铝市场规模 2024年已达到447.3亿美元，预计2025年将增长至468.3亿美元，2034年有望超过708亿美元，由此可见氧化铝作为材料的重要性。
本指南将带您全面了解氧化铝。从制造工艺、特性、类型到应用，您可以在这里找到各种相关信息。
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什么是氧化铝？
氧化铝是从铝土矿中提取的一种珍贵化合物。它由氧和铝两种元素组成。天然氧化铝以晶体固体的形式存在。加工后的氧化铝呈白色粉末状。它不溶于水和其他常见溶剂，例如丙醇和乙醇（大多数金属氧化物都具有这一特性）。此外，氧化铝被归类为两性化合物，因为它既能与碱反应，也能与酸反应。
与强酸反应： Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O
与强碱的反应： Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O
白色氧化铝粉
氧化铝的其他名称包括：氧化铝、三氧化二铝、铝氧化物以及氧化铝
工业术语：铝砂、刚玉
矿物学名称：刚玉
氧化铝的化学结构
化学结构和分子式
氧化铝的化学式为Al2O3。作为一种重要的无机物质，氧化铝的分子结构具有独特的特性。氧化铝的分子量为101.96 g/mol，化学计量比为Al:O = 2:3。
其电子排布式表示为：
Al³⁺：[Ne]
O²⁻: [Ne]2s²2p⁶
化合物通常用化学式表示，这有助于显示特定化合物元素中单个原子的比例。
以氧化铝为例，我们将氧化铝的化学式表示为Al2O3。其中下标2和3分别表示两种元素原子交换的个数，这也解释了为什么氧化铝存在离子键。
氧化铝结构
氧化铝晶体结构
氧化铝的晶体形态有很多种，最常见的是α-Al2O3（刚玉），它是由氧离子以六方密排的方式排列的。六方结构看起来像晶体，这也是氧化铝非常坚硬的原因。
α-Al2O3结构具有以下特点：
- 六方密排氧离子阵列；
- 铝离子占据八面体空隙的2/3；
- 晶胞参数：a = 4.758 Å，c = 12.991 Å；
- 空间群：R3c
α-Al2O3结构
氧化铝除α-Al2O3外，还有其他重要的晶相，如下：
- γ-Al2O3：立方尖晶石结构
- θ-Al2O3：单斜晶系
- δ-Al2O3：四方或正交结构
- κ-Al2O3：正交结构
每个晶相都有其独特的性质！
氧化铝生产工艺
您对氧化铝的制作方法感到好奇吗？本节将详细讲解氧化铝的制造过程。 拜耳法 是工业生产氧化铝最重要的方法之一。该方法由卡尔·约瑟夫·拜耳于1887年发明。
由于铝金属易与空气中的氧气发生反应，生成一种化合物——氧化铝，因此拜耳法是一种理想的净化方法。该方法以铝土矿为原料，主要目的是将氧化铝与铁、钛、二氧化硅等杂质分离。经过一系列化学处理，即可得到高纯度的氧化铝。
消化阶段
在消化阶段，将氧化铝与浓氢氧化钠溶液混合。一旦铝土矿的成分溶解到氢氧化钠中，就可以通过过滤将其分离。
原材料加工： 将铝土矿破碎至200目以下，与氢氧化钠溶液混合，在160-180℃、3.5-4.5MPa压力下处理。
化学反应： Al2O3·xH2O + 2NaOH → 2NaAlO2 + (x+1)H2O
关键参数控制： 温度精度控制在±2℃；Na2O溶液浓度300-350g/L；反应时间1-2
过滤阶段：
过滤阶段是为了去除滤液中的杂质，留下纯氧化铝，但请注意，这种方法不是最有效的，并且不能去除所有杂质。
固液分离： 使用高压过滤器分离赤泥和铝酸钠溶液
过程控制： 过滤温度控制在95-105℃，压力控制在0.4-0.6MPa，过滤速度控制在8-12m3/(m2·h)
赤泥处理： 碱液洗涤回收，赤泥综合利用。
沉淀阶段：
此过程需要冷却氧化铝使其沉淀。当形成细小的氧化铝晶体时，停止冷却。您也可以使用氢氧化铝作为催化剂来加速此过程。
种子添加： 按30-50g/L的比例添加60-80μm种子
沉淀条件： 45-55℃沉淀24-36小时，pH值控制在13.5-14.0之间
化学反应： 2NaAlO2 + 4H2O → 2Al(OH)3↓ + 2NaOH
煅烧阶段：
该过程需要加热氧化铝，直至结晶水全部去除。此步骤可确保水合氧化铝变成无水氧化铝。
在1000-1200℃高温空气中煅烧1-2小时
化学反应： 2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
以上是拜耳法制备氧化铝的简单工艺步骤，除了拜耳法之外，还有烧结法、浸出法、水热法等许多其他工艺。
氧化铝的性质
氧化铝具有多种化学和物理特性。以下是氧化铝的一些常见显著特性。
附上氧化铝性能参数表，供您简单参考。
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氧化铝材料特性 |
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|
姓名 |
氧化铝（Al2O3） |
机械性能 |
维氏硬度荷重500g |
（千兆帕） |
13.7 |
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|
颜色 |
白色的 |
抗弯强度 |
兆帕 |
350 |
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主要特点 |
耐高温 |
抗压强度 |
兆帕 |
– |
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|
高绝缘性 |
杨氏弹性模量 |
千兆帕 |
320 |
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|
耐腐蚀 |
泊松比 |
– |
0.23 |
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|
机械强度高 |
断裂韧性 |
兆帕·√米 |
– |
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|
堆积密度 |
（公斤/立方米） |
3.7×103 |
电气特性 |
介电强度 |
伏/米 |
15 × 10⁶ |
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|
吸水率 |
% |
0 |
体积电阻率 |
20℃ |
Ω·厘米 |
>10¹⁴ |
|||
|
热性能 |
线膨胀系数 |
40-400℃ |
×10⁻⁶/℃ |
7.2 |
300℃ |
10¹⁰ |
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|
40-800℃ |
7.9 |
500℃ |
10⁸ |
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|
热导率 |
瓦/米·开尔文 |
24 |
介电常数（1MHz） |
– |
9.4 |
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|
比热 |
焦耳/千克·千克 |
0.78 × 10³ |
介质损耗角正切（1MHz，×10⁻⁴） |
（×10⁻⁴） |
4 |
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|
耐热冲击性（在水中） |
℃ |
200 |
损失系数 |
（×10⁻⁴） |
38 |
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机械性能
与其他金属化合物相比，氧化铝具有优异的硬度。因此，这种特性使其成为适用于众多工业应用的化合物。
您可以使用氧化铝；
- 制造工业磨料
- 切削和磨削工具的工业制造。
此外，氧化铝也是金属加工工业中合适的元素，可用于制造精加工和成型材料。
硬度和强度
维氏硬度：
- 99.5%纯度：15-17 GPa
- 99.9%纯度：18-20 GPa
抗弯强度：
- 室温：300-400MPa
- 1000℃：150-200兆帕
断裂韧性：
- 3.5-4.5兆帕·米½
- 氧化铝纯度越高，韧性越好
沸点
氧化铝的沸点与其他金属氧化物有显著差异。正常情况下，氧化铝的沸点为 2977 摄氏度。因此，氧化铝可用于需要高温的应用。
这些包括制造锅炉零件、用作砂纸制造中的磨料以及炉子生产。
沸点： 2977℃±10℃
相变温度：
- γ→α相变：~1000°C
- θ→α相变：~1150°C
熔点
Al2O3的熔点约为2072摄氏度。高熔点归因于分子内存在强离子键。
氧化铝可用于各种需要高熔点的工业应用，包括玻璃制造、窑炉、熔炉建造等。
- 熔点： 2072℃±5℃
进一步阅读： 更多陶瓷材料的熔点
密度
与其他金属氧化物相比，氧化铝的密度更高。通常，其密度在3.90至4.2 g/cm³之间。氧化铝的密度变化取决于杂质的类型以及金属的结构。
晶体结构
氧化铝原子的晶体结构呈现六方结构。此外，化合物中氧阴离子和铝阳离子的比例为3:2。这意味着每三个氧原子对应两个铝原子。
化学稳定性
氧化铝的化学稳定性是指其与其他元素反应的程度。在这种情况下，氧化铝是一种高活性金属氧化物。这是因为铝金属很容易与大气中的氧气发生反应，形成一种稳定的化合物（氧化铝）。
绝缘
氧化铝的绝缘特性使其成为许多工业应用中的理想绝缘体。例如，大多数电气绝缘都依赖于氧化铝，例如 电容器，以及其他集成电路。
相反，尽管氧化铝具有优良的电绝缘性，但它却是热的不良导体。
体积电阻率：
- 室温：>10¹⁴Ω·cm
- 1000℃：~10⁸Ω·cm
击穿强度：
- 10-15 kV/mm（室温）
- 随着温度升高而下降
氧化铝的种类
氧化铝有多种类型。每种类型都有其独特的性质。以下是一些值得注意的氧化铝类型：
刚玉
这是一种特殊类型的氧化铝，呈晶体状。因此，刚玉是一种不纯的氧化铝。它还含有铬、铁等其他成分。
这些杂质决定了氧化铝的颜色。例如，氧化铝中的红色证实了铬的存在。
此外，富含铬的氧化铝被归类为红宝石类。另一方面，氧化铝可能拥有与红宝石类不同的多种颜色。这类氧化铝被归类为蓝宝石。
硬度和韧性是刚玉的主要特性。这些特性使得刚玉适用于大多数磨料应用，例如砂纸制造。
基本特征：
- 主要成分：α-Al2O3
- 晶系：三方晶系
- 颜色：无色（纯品）及各种颜色（含铁、铬等杂质）
性能特点：
- 莫氏硬度：9
- 密度：3.95-4.1克/立方厘米
- 极高的化学稳定性
- 优异的耐磨性
主要应用：
- 高端磨料、砂纸
- 光学材料
- 宝石装饰（红宝石、蓝宝石）
- 精密陶瓷应用
勃姆石
勃姆石通常被称为氢氧化铝。它呈现出棕色、黄色、白色和红色等多种颜色的混合色。
颜色的差异归因于金属矿石中杂质的成分。
与刚玉相比，勃姆石的硬度和强度相对较低。
由于这个原因，勃姆石不适合工业制造磨料。
基本特征：
- 主要成分：γ-AlO(OH)
- 晶体结构：正交晶系
- 外观：白色或浅棕色
性能特点：
- 良好的热稳定性
- 高比表面积
- 可控孔结构
- 优异的分散性
主要应用：
- 催化剂载体
- 吸附剂
- 涂层
阻燃材料
硬水铝石
一水硬铝石氧化铝有时也被称为水硬铝石。水硬铝石呈白色晶体，大小基本一致。
与勃姆石相比，硬水铝石相对坚硬，抗拉强度也更高。然而，尽管抗拉强度高，硬水铝石的韧性却很差。这解释了它们通常性质非常脆的原因。同样，它们不溶于水以及其他通用溶剂。
基本特征：
- 主要成分：α-AlO(OH)
- 晶体结构：正交晶系
- 颜色：白色、灰色或浅棕色
性能特点：
- 防火性能好
- 机械强度高
- 化学性质稳定
- 低热膨胀系数
主要应用：
- 各种耐火材料
- 高温陶瓷应用
- 特种水泥
- 研磨材料
γ-氧化铝
它是指石油工业中常用的一种特殊氧化铝。天然状态下，它呈白色晶体，类似于纯氧化铝。
γ-氧化铝的显著特性是它易溶于酸和碱。此外，这种氧化铝也易溶于水形成溶液。
基本特征：
- 化学式：γ-Al2O3
- 晶体结构：立方尖晶石型
- 比表面积：150-300m²/g
性能特点：
- 高比表面积
- 强催化活性
- 良好的热稳定性
- 多孔结构
主要应用：
- 催化剂载体
- 吸附剂
- 干燥剂
- 表面处理
α-氧化铝
α-氧化铝的孔隙率、导热系数和密度随γ-氧化铝的不同而变化。一般来说，α-氧化铝比γ-氧化铝密度更高，导热系数更高，而且呈固体状。
基本特征：
- 化学式：α-Al2O3
- 晶体结构：六方密排
- 纯度：通常>99.5%
性能特点：
- 最稳定的氧化铝相
- 优异的机械性能
- 高温稳定性
- 化学惰性
主要应用：
- 高性能陶瓷
- 电子基板
- 生物陶瓷
- 光学设备
氧化铝的用途
氧化铝在工业领域有着广泛的应用。以下是一些最常见的应用：
陶瓷
氧化铝是工业陶瓷生产中常用的重要原材料。例如，汽车的陶瓷涂层就是由氧化铝制成的。
技术陶瓷
在技术陶瓷领域，氧化铝的主要应用集中在高性能部件的制造上，此类陶瓷通常需要99.5%甚至更高纯度的氧化铝陶瓷才能达到最佳性能。
例如在半导体制造设备中，氧化铝陶瓷可用来制作晶圆载体等部件，这得益于氧化铝优异的耐高温和耐腐蚀性能。
在精密仪器制造中，氧化铝还因其尺寸稳定性和耐磨性而用于制造测量探头和传感器组件。
氧化铝陶瓷
结构陶瓷
结构陶瓷的主要用途是承重和防护。在机械工程中，氧化铝轴承和密封件展现了其独特的耐磨性，其卓越的使用寿命也使其在高速旋转设备中发挥着重要作用。
在防护领域，氧化铝用于军事装备。氧化铝装甲具有极高的硬度和良好的韧性，是军事防护装备的重要组成部分。
防弹陶瓷
生物医学应用
氧化铝可用作生物材料，帮助替换人体受损组织，包括四肢、手、骨骼和关节等器官。同样，你可以将生物材料方面的知识应用于医院治疗的发光设备，例如利用这些知识治疗需要光来治愈的癌细胞。
人造器官
氧化铝在生物医学领域的应用主要体现在人工关节和牙种植体方面，氧化铝具有良好的生物相容性，可以成为理想的医用植入材料。
在一些髋关节置换手术中，氧化铝陶瓷球头可以提供较低的摩擦系数和良好的耐磨性。近年来，氧化铝基复合材料在牙科修复领域也取得了良好的突破。
医疗器械
除了人体植入物外，氧化铝还被广泛用于制造手术器械和诊断设备部件。这些器械通常需要优异的清洁和灭菌性能，而氧化铝的化学稳定性和无毒性恰好满足了这些需求。此外，在医学影像设备中，氧化铝陶瓷窗口片也因其良好的X射线透射率而得到广泛应用。
耐火材料
耐火材料的制造很大程度上依赖于氧化铝作为原料。这归因于氧化铝具有合适的物理和化学性质，例如：
- 优异的抗拉强度和机械强度，
- 良好的导热性。
- 沸点和熔点高。
- 耐腐蚀和耐化学性。
- 氧化铝在耐火材料中的用途
氧化铝广泛应用于各种耐火材料。耐火材料可用于水泥工业、玻璃制造和钢铁制造。
水泥工业
在水泥生产中，氧化铝耐火材料主要用于回转窑的内衬。氧化铝耐火材料能够承受1450°C以上的高温和强烈的化学腐蚀，在这种恶劣的环境中非常实用。使用高纯度氧化铝砖，可以大大延长窑炉的使用寿命，并减少停机维护时间。
玻璃制造
在玻璃熔窑中使用氧化铝耐火材料，可带来优异的耐腐蚀性和良好的热稳定性。高纯度氧化铝在1600℃下仍能保持其完整的结构，有效防止玻璃液的渗透和侵蚀。大量使用氧化铝耐火材料，可有效延长熔窑的使用寿命。
钢铁冶金
在钢铁冶炼行业中，氧化铝耐火材料可用于浇注系统和高温工作区域，这些区域通常需要承受熔融金属的侵蚀和热冲击，高纯氧化铝材料可以很好地抵抗热冲击，确保冶炼设备的安全运行。
高铝耐火球、高铝耐火砖
电子产品
氧化铝是制造各种电子设备的重要原材料。通常情况下，氧化铝具有良好的绝缘性能，这对于避免触电至关重要。
因此，它常用于断路器。氧化铝在电子产品中的其他应用包括 电阻器和电容器。
电路元件
在电子工业中，氧化铝可以制成基板，其优异的散热、绝缘性能可以成为集成电路封装的重要材料，特别是在一些大功率LED、射频器件中，利用氧化铝基板的优越性能可以显著提高其性能。
绝缘材料
氧化铝具有绝缘性能，可用作绝缘材料，广泛用于高压电气设备中作为绝缘体。
氧化铝薄膜电路
磨料
在磨料领域，氧化铝是各种高端研磨的首选材料。其优异的硬度和韧性使其成为一种卓越的研磨材料。在一些金属和木材表面处理工艺中，氧化铝磨料几乎是您的完美选择。
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结论
总而言之，氧化铝是地球表面自然存在的最有价值的金属氧化物之一。
它具有各种化学和物理特性，使其适用于众多工业应用。
常见问题解答
以下是有关氧化铝作为金属化合物的常见问题。
1. 氧化铝对人体有毒吗？
从医学角度来说，氧化铝对人体的毒性较小，可以认为是无毒的，因为摄入氧化铝不会引起严重的健康问题。
日常接触氧化铝是安全可靠的，但不能摄入氧化铝，因为摄入氧化铝可能会引起头痛、恶心、咳嗽和呕吐等轻微健康问题。因此，氧化铝不应被人体摄入。
进一步阅读： 氧化铝有毒吗？
2. 氧化铝为什么贵？
与其他金属氧化物相比，氧化铝是最昂贵的金属化合物之一。
生产氧化铝需要大量能源，这会显著影响成本。
这就是为什么铝比其他金属更受重视的原因。通常来说，高成本可以弥补生产工艺的不足。
3. 氧化铝安全吗？
氧化铝的安全性对许多人来说仍然是个谜。然而，氧化铝对人体的安全性已被证实。
在某些罕见情况下，使用这种铝化合物会产生副作用。
例如，吸入铝粉导致肺衰竭、眼睛和皮肤刺激。