氧化铝理化特性对生产的影响及其检测
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摘 要：本文通过对氧化铝原料理化性能对氧化铝陶瓷生产的影响进行分析，提出在氧化铝陶瓷生产中应该进行的检测要求，检测结果可为生产和科研提供有效数据，保证产品的性能和质量。
关键词：氧化铝；氧化铝陶瓷；检测
1 前言
在陶瓷生产中，为提高产品的性能和拓宽产品的用途，添加功能材料是历史悠久的做法，其中添加氧化铝粉最为常用。氧化铝陶瓷也是氧化物陶瓷中应用最广、产量最大的陶瓷。据不完全统计，氧化铝陶瓷的应用包括：陶瓷刀具、工业用阀、电子配件、化工陶瓷（滤膜、涂层等）、医用陶瓷、建筑卫生陶瓷、耐火陶瓷材料、航空航天陶瓷等等。
氧化铝陶瓷中氧化铝粉的加入量对产品有不同的影响，氧化铝的理化特性对产品的影响非常明显，检测并控制氧化铝粉的特性指标对生产有着重要意义。普通型氧化铝陶瓷以产品中氧化铝含量分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷，氧化铝含量在75%以上都归为普通高铝瓷。还有更多添加氧化铝的陶瓷产品，其氧化铝含量在40%以上，即便氧化铝的加入量不高，产品的性能也已发生变化。最显著的性能提高有：硬度、强度、耐高温、耐磨性等等。
氧化铝本身的特性具有多样化，比如化学成分、晶型组成、微观结构、颗粒级配等，这些特性正是影响产品的重要因素。由于各项特性指标的不同，可能导致生产过程中产品收缩程度不同、烧结温度不同，而最终使产品性能大打折扣。研究氧化铝的特性及检测方法，分析检测数据的变化，对生产用料及生产工艺都有指导意义。
目前最常用的氧化铝及产品的检测方法有很多，氧化铝粉检测的国家标准为《GB/T6609-2009氧化铝化学分析方法和物理性能测定方法》系列，该法对氧化铝样品的化学成分、物理性能中的安息角、松装密度、颗粒度、吸附指数、α-Al2O3含量、磨损指数、流动指数等的检测都进行了规定。与氧化铝相关的国家标准还有：《GB/T 2479-2008普通磨料：白刚玉》、《GB/T 3044-2007 白刚玉、铬刚玉化学分析方法》、《GB/T 15154-1994 电子陶瓷用氧化铝粉体材料》等。
而关于氧化铝陶瓷产品，无论是国家标准，行业标准都非常多，比如《GB/T 27979-2011 氧化铝耐磨陶瓷复合衬板》、《JC/T2024—2010 陶瓷金卤灯用半透明氧化铝管》、《JC/T848.1-2010 耐磨氧化铝球》、《JC/T848.2-2010耐磨氧化铝衬砖》等等，在这里不一一列举。
本文主要是通过分析氧化铝原料理化特性对氧化铝陶瓷生产的影响，提出相应的检测方法，建议氧化铝陶瓷生产企业选择合适的方法监控生产，以便使结果更具针对性，为产品研究和质量控制提供科学的帮助。
2 氧化铝的理化性能对氧化铝陶瓷生产的影响及检测
2.1 氧化铝纯度与α-Al2O3含量
氧化铝陶瓷原料中的氧化铝粉对陶瓷产品性能起重要作用的因素是其中的α-Al2O3晶相氧化铝，氧化铝有12种晶相，最常见的3种是α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3。
α-Al2O3的特点是晶体结构紧密，硬度大、耐磨损、耐腐蚀、高温稳定，氧化铝陶瓷的优异性能源自原料中α-Al2O3的加入量。工业Al2O3中含有较多γ—Al2O3和β—Al2O3，而γ—Al2O3有较强的吸水性，并在加热至1200℃以上不可逆地转变为α—Al2O3，同时伴有14%左右的体积收缩，β—Al2O3含有Na2O、CaO等碱性成分，影响产品的最终性能，所以为消除这些不良影响，在制坯前应该对工业Al2O3进行预烧，目的就是消除过大收缩和除去Na2O等物质，提高原料的纯度。
随着产业分工细化，工业氧化铝的预烧由氧化铝生产厂家完成。生产企业作为原料使用者，首先要监控氧化铝的纯度。依据《GB/T6609氧化铝化学分析方法和物理性能测定方法》标准第34部分，大于98%质量分数的氧化铝含量需检测其杂质含量后再进行计算，GB/T6609标准第1～21部分是对氧化铝中可能存在的化学成分进行检测的方法，其中原子吸收光谱法、分光光度法为主要方法。比较先进的方法是用X射线荧光光谱法迅速测定氧化铝粉末中的全部化学成分，该法的测定范围更大，氧化铝含量大于45%均在该法的测定范围。氧化铝质量分数大于99.9%的氧化铝则需要更高科技的检测方法，如ICP-MS方法。
其次是要测定α-Al2O3的含量，依据GB/T6609标准第32部分，规定了测定α-Al2O3含量采用X射线衍射方法。尽管α-Al2O3能带给产品许多优异性能，但是γ—Al2O3具有较强的化学活性，对吸附材料有一些作用。
2.2 颗粒度与微观形状
许多研究表明，氧化铝的颗粒度对制品的性能影响很大，降低氧化铝的粉体粒度，更有利于制品的高性能形成。一般，工业氧化铝经过1400℃的预烧，其中的γ—Al2O3转换成α-Al2O3，松散的粉体会结聚，转换后的α-Al2O3晶粒会长大，所以使用预烧过的氧化铝需进行研磨，研磨工序也由氧化铝生产厂家完成。经研磨后的氧化铝粒度变细，有利于提高制品的断裂韧性、耐磨性，氧化铝陶瓷生产企业应根据科研和生产的要求，选定不同粒度的氧化铝粉体，进行原料和配料的颗粒级配监控，保证原料的稳定性。
《GB/T6609氧化铝化学分析方法和物理性能测定方法》标准中对20μm和更大粒度的氧化铝颗粒度的测定规定了3个方法，分别是第27部分、第28部分和第37部分，这些方法主要针对中粒度和大粒度氧化铝粉末制定的，采用的是筛分的方法。对于微小粒度的氧化铝粉末的颗粒度测定，无论是专门的检测机构还是企业的质量监控都是采用激光粒度仪进行检测。
经过1400℃预烧的氧化铝，其颗粒呈不规则的长片状，带有齿边（图1）；经研磨后，氧化铝颗粒呈等轴状，接近球形颗粒状，有些带有棱角（图2）。研磨时间越长，颗粒越细，这样的球状颗粒效果更明显，使用效果更佳。
有条件的生产企业，可以进行原料和制品的微观结构检测和研究，通过扫描电镜检测可获得放大至几十万倍的颗粒形貌，为研究和生产提供帮助。
球状颗粒均匀分散在制品配料中，不同大小的颗粒级配互相填充能得到相对致密的坯体，并且坯体不易断裂，制品的强度、韧性等机械性能相对更好。
2.3 流动性与分散性
氧化铝无论作为主原料还是添加原料，均匀分布在配料中是制品性能稳定的重要条件之一。这一条件取决于原料的流动性和分散性，工业氧化铝是松散的结晶粉末，分散度较高；高温煅烧过的氧化铝，已形成长片状，分散性较差，流动性也差。经过研磨，颗粒形状改善，流动性提高，分散性也得到提高。
《GB/T6609氧化铝化学分析方法和物理性能测定方法》标准第31部分：流动角的测定、第36部分：流动时间的测定，可以评价氧化铝的流动性与分散性。第24部分：安息角的测定也可以评价氧化铝的一些性能。如当氧化铝的粒径越小，安息角会较大；氧化铝的粒子比较光滑，安息角就会较小，间接表征了原料的流动性与分散性。
2.4 可塑性与烧成收缩
氧化铝是瘠性原料，氧化铝加入量越大的氧化铝陶瓷配料塑性越差，需要加入粘结剂。配料达到合适的塑性指数，成形效果最好，坯体干燥时不易开裂。对于不同氧化铝加入量的制品配方，粘结剂的加入量也不一样，对于每一配方都有适合的塑性指数，研究塑性指数与制品性能的关系，调节粘结剂的加入量，对于生坯干燥和素烧工序的时间和温度设定能提供有效依据。塑性指数由可塑性仪进行测定。
由于氧化铝颗粒形状的原因，压制成形的氧化铝陶瓷制品可能在受压的垂直和平行方向出现不一样的收缩率，影响生坯的干燥和制品的烧成效果，严重时造成产品尺寸差异或变形、开裂等。经过预烧和研磨的氧化铝颗粒形状比较对称，这种负面的影响会降低。检测加入不同氧化铝原料的坯体收缩率，并加以控制，有利于提高产品质量。测定收缩率由车间进行更合理，样片的产销压力、煅烧过程与产品的条件一致，结果更接近生产需要。
2.5 其他相关指标
氧化铝陶瓷的优异性能源自优质氧化铝原料的加入，评价氧化铝质量的指标有很多，其中比重也是重要指标之一。不同晶相氧化铝的比重不同，α-Al2O3的比重为3.96～4.01g/cm3，β-Al2O3的比重为3.30～3.63g/cm3，γ-Al2O3比重为3.42～3.47g/cm3。通过测定原料比重可以初步判定α-Al2O3的含量是否满足使用要求。比重测定用比重瓶法，也可以用真密度仪法。
《GB/T6609氧化铝化学分析方法和物理性能测定方法》标准有对氧化铝松装密度、有效密度、吸附指数、磨损指数、比表面积的检测方法，对不同产品的工艺需要提供了一定的帮助。
其中松装密度决定成形模腔的装粉高度。影响氧化铝粉松装密度的因素很多，如颗粒形状、尺寸、表面粗糙度及粒度分布等。在生产中，为了保证制品密度的一致，必须要求粉末松装密度稳定。
3 结论
氧化铝陶瓷的优异性能来自氧化铝的优异特性，氧化铝陶瓷生产从原料利用到生产规模都越来越广泛，优质的氧化铝价格昂贵，氧化铝陶瓷生产历经原料的优选与加工、配方的研制、成形方案的设计、坯体的干燥与素烧、烧结温度的制定和执行、后精细加工等复杂冗长的工序，批量生产若出现差错损失会很严重，严格控制每一工序的质量非常重要，而控制氧化铝的纯度、α-Al2O3含量、颗粒级配的稳定性尤为重要，配合生产的要求进行检测，是最有效的监控方式。
通过检测保证生产质量，通过对检测数据的系统研究，还能开发出功能新颖、更符合现代需求的氧化铝陶瓷产品。
氧化铝的各项检测的结果既相关又分别表述了不同特性，检测做得越细对氧化铝陶瓷的性能判定和了解也更精确，积累和总结检测结果对氧化铝陶瓷产品的研究和生产具有科学意义。
参考文献
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