氧化铝的分类及应用
2020-01-18

按用途分类,氧化铝可以分为冶金用氧化铝和化学品氧化铝两大类。冶金是氧化铝最主要的用途,世界上氧化铝总产能的约95%用作冶炼金属铝,其它大约5%的氧化铝用作非冶金用途,称为化学品氧化铝,也有人将之称为多品种氧化铝或特种氧化铝,这类氧化铝品种繁多,又可以分为氢氧化铝、拟薄水铝石、活性氧化铝,高温氧化铝等不同类别,每一个类别中又有多个品种,如在高温氧化铝中,又可以分为陶瓷用α-Al2O3,耐火材料用α-Al2O3,抛光用α-Al2O3,高压开关填充用α-Al2O3等。

  由于氧化铝相态各异,品种繁多,表现出许多不同的物理化学性质,从硬度上讲,既可以高达莫氏硬度9,又可以软至莫氏硬度3;其堆积密度既可以高至2.5g/cm3,又可以轻至0.25g/cm3;α-Al2O3可以很好地抵抗酸碱的腐蚀,而过渡相氧化铝又很容易溶于酸碱;比表面积可以大于500m2/g,又可小于1 m2/g,同时具有多种孔径分布。因此,氧化铝在化工、磨料、陶瓷、玻璃、耐火材料[16]、催化剂及其载体、橡胶、造纸等各个领域均有广泛的应用。

氧化铝是同质多晶较多的物质,其水合物存在五种物相,无水产物有八种物相。氧化铝产品大致可以分为四大类:①氧化铝水合物,包括三水铝石、拜耳石、诺耳石、一水软铝石等;②过渡相氧化铝,包括γ-Al2O3、η-Al2O3、κ-Al2O3、χ-Al2O3、θ-Al2O3、ρ-Al2O3等;③稳定相氧化铝,α-Al2O3;④β-Al2O3及ζ-Al2O3,这些化合物不属于氧化铝的变体,而是由碱土金属氧化物与氧化铝组成的化合物(通常化学式为RnO·11Al2O3,R代表Na、K、Ca、Mg等碱土金属元素,n=1或2)。

氧化铝的结构通常是基于O2-作紧密堆积,Al3+处于该密堆积形成的八面体空隙或四面体空隙中,根据堆积方式的不同,大致可分为三个系列:

①α系列:O2-的密置层作ABAB…堆积,属于这一系列的有α-Al2O3;

②β系列:O2-的密置层作ABACABAC或ABACCABA…堆积,属于这一系列的主要有β-Al2O3、χ-Al2O3、κ-Al2O3;

③γ系列:O2-的密置层作ABCABC…堆积,Al3+填充在O2-堆积的四面体和八面体空隙中,由于分布不同,形成多种晶型,如:χ-Al2O3、η-Al2O3、γ-Al2O3等。由于氧化铝的结构复杂,因此,在不同的条件下,会形成不同晶体结构的氧化铝或水合物,表1为几种结构氧化铝的晶体结构数据。 

表1  氧化铝的晶体结构

类别物相化学式晶系晶格常数
abc
过渡相Χ-Al2O3立方7.95

η-Al2O3立方7.90

γ-Al2O3四方7.957.957.79
δ-Al2O3四方7.9677.96723.47
ι-Al2O3正交斜方7.737.782.92
θ-Al2O3单斜5.632.9511.86
κ-Al2O3正交斜方8.4912.7313.39
刚玉α-Al2O3
三方4.758
12.991
 β-氧化铝系列Na2O. 11Al2O3六方5.58
22.45
K2O. 11Al2O3六方5.58
22.67
MgO. 11Al2O3六方5.56
22.55
CaO.6Al2O3六方5.54
21.83
SrO. 6Al2O3六方5.56
21.95
BaO. 6Al2O3六方5.58
22.67
ζ-氧化铝Li2O. 11Al2O3立方7.90

 

 不同结构的氧化铝,其晶格常数有一定的差别,就过渡相氧化铝而言,其晶系有一定的相关性,立方、四方、斜方等晶系间可以通过原子间位置的变化互相转变,但过渡相氧化铝与α-Al2O3之间的晶格结构差别较大。β-Al2O3系列是氧化铝与金属氧化物组成的一种新的氧化物形式,具有相同的晶体结构及空间群,晶格常数相近,因此将它们归结为β- Al2O3系列。