氧化鋁α相變及其相變控制的研究

石進軍

（遵義鋁業股份有限公司，貴州 遵義 563135）

近些年我國工業化生產速度逐步加快，氧化鋁是現代化生產中應用較多的陶瓷材料，自身具有耐腐蝕、抗磨損、耐高溫應用屬性。其屬于結構陶瓷，目前在機械工業、冶金業、航空業等領域應用較為廣泛，在生物陶瓷、固定化酶載體等方面應用較多。其中要想提升燒結體自身質量，對其應用性能進行優化，可以融入超細氧化鋁粉體。氧化鋁晶型相具有多樣化特征，不僅有熱力學穩定的α相，還存在十多種熱力學不穩定的過渡晶型相。在不同溫度作用下，此類過渡相會在α相基礎上進行轉變。其中α相變溫度較高。在高溫狀態下，氧化鋁在被燒結過程中開始發生，促使α-Al2O3產生之后便開始逐步擴大，不同粒子之間相互聚集，能建立硬團結構。所以當前相關人員對α溫度進行控制是獲取α-Al2O3的重要因素。

1 氧化鋁的相變

（1）氧化鋁的晶體結構。根據相關統計，當前氧化鋁有十幾種晶型，比如常見的α、θ、γ等，對不同晶型進行分類可以選取的方法如下。結合O2-實際排列結構的差異性，主要可以將其分為Hcp與Fcc兩個類別，然后在O2-排列結構中不同打獵依照A3+亞陣點的差異將其分為不同相。在諸多相中，α屬于穩定性較高的相，其余都屬于過渡型的亞穩相。在溫度變化影響下，此類過渡型亞穩相要向穩定相進行轉變，其中此類相變是不可逆相變[1]。

（2）氧化鋁過渡型相的轉變。氧化鋁中過渡相之間產生的相變主要是氧離子相同的排列方式中，在溫度變化影響下，在四面和八面體空隙中的鋁離子亞晶格有序度提升，促使晶體缺陷相應降低，此類相變主要是拓撲狀，就是晶體原有的形態未發生相應轉變，在轉變中的粒子晶粒尺寸發生的變化較小。從表1可見，其中過渡型相氧化鋁粒子基本粒徑與相成分中存在的關系，能看出過渡型相粒子晶粒度未產生較大變化，但是向α相轉變后粒徑開始擴大。過渡型相之間的轉變主要是由于鋁離子發生了一定位置轉換，其中對氧離子架構未能產生影響[2]。

表1 氧化鋁晶粒度和相成分的關系

（3）過渡型相到α相的轉變。Α相變主要是從氧離子排列為Fcc骨架向Hcp骨架進行在轉變的過程，此類轉變屬于晶格重構相變，其中涉及到半徑較大的氧離子移動，所以需要的能量較多，加上受到的外部干擾性影響，相變溫度會發生一定變化。在研究領域中有相關研究人員對α相變機制存在較大爭論，部分研究人員提出γ向α轉變時微結構發生變化，說明氧化鋁的α相變屬于逐步長大過程。目前α相變主要可以分為兩個階段，基礎階段是α相的形核，然后是α在不斷變大，在整體過程中消耗的能量較大，剩余能量主要是促使晶粒能有效增大。通過各項研究理論控制，降低α相變形核激活能對相變溫度與粒徑進行控制。

2 氧化鋁α相變溫度的降低措施

2.1 球磨

球磨屬于機械活化過程，此過程中會產生諸多不同的變化現象，比如不同晶粒開始細化，晶粒內部缺陷開始發生以及相變發生等。在正常室溫狀態下對γ-AlOOH進行球磨，球磨25min之后，γ-AlOOH已經發生了較大變化，開始變為α-Al2O3，與高溫狀態下的α進行有效對比，能發現在加熱引導基礎上的α相變和球磨引導基礎上的α相變具有對等性。但是也有相關研究指出，球磨不會在正常室溫環境中促使前驅體轉為α相。當前應用球磨能對氧化鋁α相溫度進行控制的主要原因是因為，球磨過程中粉體顆粒中的應變能力可以在高溫狀態下有效釋放，從而使得α相變激活能有效降低，這樣也就能引導α相變溫度發生變化。球磨存儲的應變能在高溫狀態下進行釋放屬于加熱過程。在不同的機械化處理過程中粉體會產生不同形核，能提升形核密度。

2.2 引入α氧化鋁籽晶

目前可以應用密度值較低的α-Al2O3粒子能作為籽晶加入到前驅體中促使α相變溫度有效降低。當前α-Al2O3籽晶對過渡型相向相轉變過程中相變動力學會產生不同影響。首先是籽晶能有效提升α過渡過程中的形核密度。

在關系式中，Js是穩態形核速率；Z是非平衡因子；β是擴散因子；N是單位體積基體中形核位置數；k是氣體常數；T是絕對溫度。從結晶學變化角度來看，籽晶的有效添加能對粉末微結構產生影響。使得晶粒尺寸與形狀能發生諸多變化。籽晶離子產生一個α相離子，粒子變大之后與周邊籽晶之間粒子之間相互撞擊，會產生硬團聚結構。

3 控制氧化鋁α相變，提升熱穩定性的措施探析

隨著溫度的不斷升高，Al2O3粉體顆粒的燒結是表面降低以及顆粒聚集的過程，屬于熱力學自發階段，實際燒結過程中氧化鋁晶相會隨著溫度變化發生相應變化。在氧化鋁顆粒燒結過程中其表面羥基基團對燒結反應會產生較大作用。Al2O3在增長擴大過程中，顆粒之間在接觸過程中羥基基團會不但脫水，能產生氧橋。隨著水分子不斷脫離，顆粒之間能產生較為規整的頸狀區域。當烘焙溫度較高時，小顆粒在大顆粒上粘結吸附導致表面劇減。在上述燒結機理基礎上，對氧化鋁表面的羥基進行控制，能顯著提升氧化鋁熱穩定性，對高溫燒結進行調控。當前對氧化鋁熱穩定性進行改善的措施中可以融入不同添加劑，全面提升氧化鋁熱穩定性，其中SiO2、BaO、La2O3對全面改善氧化鋁熱穩定性具有重要作用，但是實際穩定機理存在差異。

4 結語

總而言之，氧化鋁粉體是現代化工業生產中應用較多的陶瓷材料，當前對其相變控制進行控制對獲取性能條件較好的氧化鋁納米粉體至關重要，對生產活動能有效指導。以相變為重點進行探究，促使不同問題能有效簡化。