[科普中国]-人造刚玉

总体应用

因天然刚玉产量供不应求，工业上常将纯α型氧化铝粉末在高温电炉中烧结制成人造刚玉，也称电熔刚玉．它能耐1800℃以上的高温，是制造高级特殊耐火材料的原料，有高温下机械强度大，抗热震性好，抗侵蚀性强，热膨胀系数小等特点，用于制火箭发动机燃烧室内衬、喷咀，雷达天线保护罩，原子能反应堆材料，高级高频绝缘陶瓷，冶炼纯金属和合金的坩埚，高温发热原件，热电偶保护管，各种高温炉的炉衬等。人造刚玉还用于制精密仪表轴承和金属丝的拉丝模具。我国自1958年起就能产生人造刚玉了。1

成分与制造氧化铝纯净的氧化铝是白色无定形粉末，俗称矾土，密度3.9-4.0g/cm3，熔点2050℃、沸点2980℃，不溶于水，氧化铝主要有α型和γ型两种变体，工业上可从铝土矿中提取。

铝土矿是铝在自然界存在的主要矿物，将其粉碎后用高温氢氧化钠溶液浸渍，获得铝酸钠溶液；过滤去掉残渣，将滤液降温并加入氢氧化铝晶体，经长时间搅拌，铝酸钠溶液会分解析出氢氧化铝沉淀；将沉淀分离出来洗净，再在950-1200℃的温度下煅烧，就得到α型氧化铝粉末，母液可循环利用。此法由奥地利科学家拜耳（K．J．Bayer）在1888年发明，时至今日仍是工业生产氧化铝的主要方法，人称“拜耳法”。

在α型氧化铝的晶格中，氧离子为六方紧密堆积，Al3+对称地分布在氧离子围成的八面体配位中心，晶格能很大，故熔点、沸点很高。α型氧化铝不溶于水和酸，工业上也称铝氧，是制金属铝的基本原料；也用于制各种耐火砖、耐火坩埚、耐火管、耐高温实验仪器；还可作研磨剂、阻燃剂、填充料等；高纯的α型氧化铝还是生产人造刚玉、人造红宝石和蓝宝石的原料；还用于生产现代大规模集成电路的板基。

γ型氧化铝是氢氧化铝在140-150℃的低温环境下脱水制得，工业上也叫活性氧化铝、铝胶。其结构中氧离子近似为立方面心紧密堆积，Al3+不规则地分布在由氧离子围成的八面体和四面体空隙之中。γ型氧化铝不溶于水，能溶于强酸或强碱溶液，将它加热至1200℃就全部转化为α型氧化铝。γ型氧化铝是一种多孔性物质，每克的内表面积高达数百平方米，活性高吸附能力强。工业品常为无色或微带粉红的圆柱型颗粒，耐压性好。在石油炼制和石油化工中是常用的吸附剂、催化剂和催化剂载体；在工业上是变压器油、透平油的脱酸剂，还用于色层分析；在实验室是中性强干燥剂，其干燥能力不亚于五氧化二磷，使用后在175℃以下加热6-8h还能再生重复使用．

世界上用拜耳法生产的氧化铝要占到总产量的90%以上，氧化铝大部分用于制金属铝，用作其它用途的不到10%．2

红宝石红宝石是天然产的透明红色刚玉，颜色从淡玫瑰红至深胭脂红，有的还略带紫色色调，有的有星光，以呈鸽子血红色最具有商业价值。红色是晶体中含少量氧化铬之故。红宝石是宝石中的珍品，七月生辰石。红宝石英语为Ruby，源出拉丁语ruber意为红色，硬度为9，密度常为4g/cm3，有金刚光泽。天然红宝石重量达1克拉的不多，超过5克拉已属罕见，世界上每年开采的红宝石其中品质最优者仅占千分之一。世界天然红宝石迄今发现最大的重3450克拉产自缅甸，世界著名的巨大星光红宝石重138.7克拉，著名的鸽血红宝石重55克拉。世界红宝石最有名的产地是缅甸曼德拉的东北部，还有泰国、斯里兰卡、柬埔寨．1973年在非洲肯尼亚的恩干加，1978年在澳大利亚中部阿利斯波利，70年代末在巴基斯担的罕萨先后发现大型红宝石矿藏，以上发现被誉为70年代世界红宝石矿三大发现。我国红宝石主要产地为云南、青海，数量不多质量也不大理想。2

人造刚玉历史1877年法国化学家弗雷米将纯氧化铝粉末、碳酸钾、氟化钡和少量重铬酸钾作原料，在坩埚中经高温熔融8天，获得小颗粒红宝石晶体，这是人造红宝石的开端。

1885年在瑞士日内瓦出现一些品质优良的人造红宝石，据说是由天然红宝石碎片，加上增强红色的重铬酸钾等经高温熔融制成，和天然品性质相同。然而真正实现人工制造宝石并能投入规模化生产的要归功于法国化学家维尔纳叶。2

制作人造刚玉磨料的制法：

棕刚玉是将氧化铝含量高的矾土配入无烟煤或焦炭等碳素材料和铁屑，在电弧炉中熔炼而成。碳素材料的作用是还原矾土中的二氧化硅和氧化铁等。棕刚玉纯度高、流动性能优异、结晶好、线性膨胀系数低、耐高温、耐腐蚀。是目前磨料磨具，喷砂研磨，耐火材料等行业必不可少的工业材料。有“工业牙齿”之称。

铁屑的作用是：

①与还原了的硅、铁等结成密度大于刚玉的铁合金，与刚玉熔液分离沉于炉底；

②使铁合金具有较高的感磁性，以便将夹杂在刚玉中的铁合金，通过磁选分离出来。炼得的熔液冷却成结晶块，再经破碎、筛分、磁选而成各种粒度的产品。炼得的熔液若快速冷却则成为微晶刚玉；若控制还原程度，存留较多的二氧化硅、氧化铁等杂质，可得黑刚玉。单晶刚玉是在上述炉料中再加入黄铁矿炼得的，其熔块经水解除去硫化铝后，即得单晶体的刚玉颗粒。锆刚玉用与冶炼棕刚玉相同的原料，外加氧化锆含量高的原料（如锆英砂）经冶炼制成，也有用氧化铝粉和氧化锆粉混合熔融而成的，成品中含氧化锆10～40%。

白刚玉是将高纯度的氧化铝粉，在电弧炉中熔化，把冷却后的结晶块再加工成各种粒度的产品。在熔化氧化铝粉时，如加入适量的三氧化二铬可得铬刚玉。

烧结刚玉磨料是将氧化铝含量高的矾土或氧化铝粉，磨细至10微米以下，加入适量的添加剂（如氧化锆、氧化镁）和粘结剂，经挤压、切断成短的细棒状（约为直径1毫米，长5毫米），在窑中烧结而成。2