氧化铝化学元素的应用与检测

2020-11-24武继平国家电投集团山西铝业有限公司

灌篮 2020年29期

武继平国家电投集团山西铝业有限公司

据相关数据显示，我国是全球最大的氧化铝生产国，中国氧化铝的产量在2010年占到了全球比重的51.38%。因为氧化铝具有特殊的物理化学性质，所以，在工业制造业中相当重要。生产氧化铝的过程中，对于杂质并不能完全去除，所以，就需要对氧化铝中化学元素进行检测。

一、氧化铝的基本特性和发展历史

（一）氧化铝的基本特性

氧化铝，又叫三氧化二铝，其化学结构式为Al2O3，硬度高，颜色为白色，而且是粉末状的固体，是铝和氧的化合物，熔沸点很高，不溶于水，绝缘性好，在工业上又被称为矾土。氧化铝是两性氧化物，所以能溶于碱性、无机酸溶液中。迄今为止，已经发现了10余种氧化铝的同质异晶体，这些同质异晶体的性质各不相同。由于氧化铝容易受潮，所以要密封干燥保存。工业中生产氧化铝，一般是从铝土矿提取，然后分离杂质。铝土矿的种类很多，所以需要根据不同的类型来生产，主要生产方法有电热法、酸法和碱法。

（二）氧化铝的发展历史

据相关调查数据显示，我国氧化铝的产量占世界氧化铝产量的一半还多，并且持续增长，是氧化铝的第一生产大国。2018年预计我国氧化铝的产量将达到七千多万吨，增幅高达百分之九。目前，我国氧化铝的产量逐年攀升。而且氧化铝现在是国际大宗原材料商品，需求量很高，价格也在持续上涨。当前，我国工业产业结构不断完善，对氧化铝的需求很大，这些都会促进我国氧化铝产业进一步地发展壮大。

二、氧化铝的应用范围

氧化铝具有硬度高、耐腐蚀、绝缘性好等特点，因此被广泛应用到工业和制造业的各个领域，而且进入到普通百姓的生活中。

（一）应用于陶瓷和复合材料中

高硬度和绝缘材料在日常生活中的需求很大。氧化铝的硬度很高，所以被应用到陶瓷的生产中，通过加入氧化铝粉末，可以增加陶瓷的硬度，并且耐磨损。另外还可以使陶瓷的烧结温度降低，提高了低温条件下陶瓷的可塑性，这是因为氧化铝具有很高的超塑性。为了满足更多的实际需求，就会在合成锻造材料时，加入氧化铝粉末，然后合成新的材料，新的材料就可以拥有氧化铝的部分特性。

（二）应用于表面的防护层材料

氧化铝薄膜是金属铝被氧化后形成的，能够保护金属。

经研究发现，氧化铝薄膜的成分是氧化铝粒子，而且呈透明状态，可以使金属的硬度、耐腐蚀性提高，还可以防水防尘。在进行工业生产时，氧化铝薄膜在材料表面的涂抹，能够降低机器零件的腐蚀和磨损程度，使产品的使用寿命延长。

（三）应用于吸附和催化材料

工业生产中，氧化铝可以被当作催化剂，炼油厂的单质硫就是利用氧化铝从硫化氢废气中转化而来，还可以帮助醇脱水，形成烯烃。氧化铝是催化剂载体，比如应用于脱硫和聚合反应。除此之外，氧化铝粉末大于表面积，所以还可以被用来去除气体中的水分。

（四）应用于生物和医学领域

医学和生物领域越来越多的开始使用氧化铝纳米材料，而且应用范围广泛，是生命科学中的一项技术创新。由于氧化铝的抗腐蚀性很强，所以如果氧化铝生物陶瓷在物理环境中应用，不会被腐蚀，可以实现与人体结构的相容，并且在多孔的生物陶瓷中新生组织可以很好的生长，提高了和机体组织的结合度，而且磨损率低、摩擦系数低，所以被应用于医学临床上，主要是用于人工关节的修复中。

（五）应用于单晶蓝宝石

氧化铝的单晶透波性能极强，基本上能透过所有的光波和可见光，比如，红外线、紫外线等，是其他产品不能比的。所以，氧化铝单晶可以满足不同种类产品复合制造过程的需求，一般是用来制作光电行业、军工行业的窗口材料。而且蓝宝石单晶内部构造完美无缺，光源在单晶蓝宝石中基本不会发生散射，不会有强度的损失，是目前透波部件的首选材料。单晶蓝宝石的硬度较高，导热和绝缘性能也极佳，所以经常被用在集成电路的衬底中。比如，在超高速集成电路的制作中，被应用于发光二极管中，可以代替氮化硅。另外，氧化铝单晶蓝宝石，在光学通信导体中的应用是可以用来制作光纤接头盒。

（六）应用于透明陶瓷

目前，高纯度的氧化铝被用于制作透明陶瓷，而透明陶瓷是制作高压钠灯管的首选材料，高压钠灯的发光效率很好，主要是利用钠蒸汽放电产生光源。但是，高压钠灯产生光源的温度很高，一般的灯管都达不到这种高强度腐蚀的要求，比如，玻璃灯管。但是透明陶瓷材料就能达到这种要求，而且由于氧化铝的高纯度，使得高压钠灯的性能得到了充分地发挥，并且广泛地被应用到实际生活中。随着高纯度纳米氧化铝的上市，可以制作出性能更好地光学陶瓷，比透明陶瓷的效果更好，所以已经被广泛地应用。

（七）应用于其他领域

首先，高纯度的氧化铝能够制作发光材料，比如荧光粉中就含有氧化铝，而且比传统的荧光粉发光效果好。其次，氧化铝还可被用在精密抛光工业中，杂质的含量会在抛光后降低，颗粒更细小，能达到很高的光泽度和抛光效果，所以可以在有镜面效果需求的半导体材料中应用，而且很少会有缺陷。另外，氧化铝被应用于锂电池的制作中，主要是用作陶瓷涂层，首先选取高纯度的氧化铝，然后和其他材料调配成涂层浆料，然后在电池正负极隔膜上涂刷，从而减少因为过高的电池温度而造成的短路情况。这主要是利用了氧化铝耐高温、绝缘的特点，实现了锂电池工艺的创新和使用寿命的延长，而且还减少能源的浪费。除此之外，氧化铝还被应用于涂料中，通过高纯度纳米氧化铝的加入，能形成网状结构的保护膜，硬度很高而且细腻，能够保护油漆表层下的漆层，还不会影响油漆的透明度。氧化铝的加入，可以使涂料的耐刮性和耐磨性增强，因此经常被应用到汽车油漆的制作中。氧化铝还被应用于玻璃行业中，还因为强度和硬度高，在研磨切削行业和防弹材料中广泛应用。最后，含氟水中的除氟也会使用氧化铝，主要是把氧化铝制作成为吸附剂，然后完成含氟水的除氟。

三、氧化铝的应用受自身质量指标影响

据相关调查数据显示，氧化铝的质量指标会影响到它的应用效果。比如，氧化铝的粒度分布不一样，应用的行业也不一样。陶瓷材料中使用的是3N的氧化铝粉体，荧光粉中使用的是4N的氧化铝粉体，而且是高纯度的。另外，氧化铝中所含杂质的数量也会影响到它的应用，比如，氧化钠的含量可以影响到产品的绝缘性能和机械强度。如果氧化钠的含量高，那么就会减弱产品的强度和绝缘性能。氧化铝中氧化铁和二氧化硅的含量高，就会减弱陶瓷材料的性能。除此之外，水分的含量也会影响到氧化铝的应用和产品品质。

四、检测氧化铝中化学元素的方法

（一）使用原子吸收光谱法（AA）进行检测

原子吸收光谱法是常用的氧化铝化学元素检测方法，这种检测方法通过原子吸收光谱仪来分析化学元素，原理就是分离出需要检测的元素，然后定量分析基态原子产生的特性辐射线，从而确定所检测元素的成分，而且还可以同时使用微量测定方式。原子吸收光谱法检测氧化铝元素的准确度和精确度都很高。

（二）使用分光光度计法进行检测

分光光度计法也是比较常用的氧化铝化学元素检测方法，工作原理根据元素的吸光性能，然后分析计算后续的数据，最后推算出氧化铝化学元素的成分。分光光度计法分辨率比较高，比较稳定，而且应用范围广。现在有很多项目都是使用分光光度计法，比如五氧化二磷的测定使用的是钼蓝分光光度法，二氧化硅的测定则使用的是钼蓝光度法。

（三）使用火焰原子吸收光谱法进行检测

这种检测方法比较复杂，主要是通过火焰原子吸收光谱法定量分析待检测化学元素吸收特征辐射线的程度，最终确定氧化铝化学元素的成分，常量分析和微量测定都可以做。这种检测方法要求实验试剂的纯度较高，而且有难度，但是检测结果可靠。一般用来检测氧化铝中的其他氧化物，例如氧化镁、氧化钙和氧化锰等。

（四）使用电感耦合等离子体光谱法（ICP-AES）进行检测

电感耦合等离子光谱法，一般是应用于同步测定多个元素。优势在于简便、快速、具有很高的灵敏度。具体的检测步骤是，首先是先溶解待检测化学元素，溶解的方法有：第一，在聚四氟乙烯密封容器中加入盐酸，并且保持恒温，然后放入检测样品进行溶解。第二，使用高温高压的微波消解系统对检测样品进行溶解。之后，把溶液放入电感耦合等离子体光谱仪，然后对溶液使用离子体光源，完成激发，最后通过光谱测定成分。重点是溶解化学元素的酸会影响到检测结果，所以对酸的要求比较苛刻。