人造剛玉

自然界天然存在的α型氧化鋁晶體叫做剛玉，常因含有不同的雜質而呈現不同的顏色．剛玉一般呈帶藍或帶黃的灰色，有玻璃或金剛光澤，密度在3.9-4.1g/cm³，硬度8.8，僅次於金剛石和碳化矽，能耐高溫．含有鐵的氧化物的剛玉砂叫金剛砂，呈暗灰色、暗黑色，常作研磨材料，用於制各種研磨紙、砂輪、研磨石，也用於加工光學儀器和某些金屬製品。

基本介紹

• 中文名：人造剛玉
• 外文名：alundum
• 密度：3.9-4.1g/cm3
• 形狀：一般呈帶藍或帶黃的灰色
• 硬度：8.8
• 學科：冶金工程

總體套用

因天然剛玉產量供不應求，工業上常將純α型氧化鋁粉末在高溫電爐中燒結製成人造剛玉，也稱電熔剛玉．它能耐1800℃以上的高溫，是製造高級特殊耐火材料的原料，有高溫下機械強度大，抗熱震性好，抗侵蝕性強，熱膨脹係數小等特點，用於制火箭發動機燃燒室內襯、噴咀，雷達天線保護罩，原子能反應堆材料，高級高頻絕緣陶瓷，冶煉純金屬和合金的坩堝，高溫發熱原件，熱電偶保護管，各種高溫爐的爐襯等。人造剛玉還用於制精密儀表軸承和金屬絲的拉絲模具。我國自1958年起就能產生人造剛玉了。

成分與製造

氧化鋁

純淨的氧化鋁是白色無定形粉末，俗稱礬土，密度3.9-4.0g/cm³，熔點2050℃、沸點2980℃，不溶於水，氧化鋁主要有α型和γ型兩種變體，工業上可從鋁土礦中提取。

鋁土礦是鋁在自然界存在的主要礦物，將其粉碎後用高溫氫氧化鈉溶液浸漬，獲得鋁酸鈉溶液；過濾去掉殘渣，將濾液降溫並加入氫氧化鋁晶體，經長時間攪拌，鋁酸鈉溶液會分解析出氫氧化鋁沉澱；將沉澱分離出來洗淨，再在950-1200℃的溫度下煅燒，就得到α型氧化鋁粉末，母液可循環利用。此法由奧地利科學家拜耳（K．J．Bayer）在1888年發明，時至今日仍是工業生產氧化鋁的主要方法，人稱“拜耳法”。

氧化鋁

在α型氧化鋁的晶格中，氧離子為六方緊密堆積，Al³⁺對稱地分布在氧離子圍成的八面體配位中心，晶格能很大，故熔點、沸點很高。α型氧化鋁不溶於水和酸，工業上也稱鋁氧，是制金屬鋁的基本原料；也用於制各種耐火磚、耐火坩堝、耐火管、耐高溫實驗儀器；還可作研磨劑、阻燃劑、填充料等；高純的α型氧化鋁還是生產人造剛玉、人造紅寶石和藍寶石的原料；還用於生產現代大規模積體電路的板基。

γ型氧化鋁是氫氧化鋁在140-150℃的低溫環境下脫水製得，工業上也叫活性氧化鋁、鋁膠。其結構中氧離子近似為立方面心緊密堆積，Al³⁺不規則地分布在由氧離子圍成的八面體和四面體空隙之中。γ型氧化鋁不溶於水，能溶於強酸或強鹼溶液，將它加熱至1200℃就全部轉化為α型氧化鋁。γ型氧化鋁是一種多孔性物質，每克的內表面積高達數百平方米，活性高吸附能力強。工業品常為無色或微帶粉紅的圓柱型顆粒，耐壓性好。在石油煉製和石油化工中是常用的吸附劑、催化劑和催化劑載體；在工業上是變壓器油、透平油的脫酸劑，還用於色層分析；在實驗室是中性強幹燥劑，其乾燥能力不亞於五氧化二磷，使用後在175℃以下加熱6-8h還能再生重複使用．

世界上用拜耳法生產的氧化鋁要占到總產量的90%以上，氧化鋁大部分用於制金屬鋁，用作其它用途的不到10%．

紅寶石

紅寶石是天然產的透明紅色剛玉，顏色從淡玫瑰紅至深胭脂紅，有的還略帶紫色色調，有的有星光，以呈鴿子血紅色最具有商業價值。紅色是晶體中含少量氧化鉻之故。紅寶石是寶石中的珍品，七月生辰石。紅寶石英語為Ruby，源出拉丁語ruber意為紅色，硬度為9，密度常為4g/cm³，有金剛光澤。天然紅寶石重量達1克拉的不多，超過5克拉已屬罕見，世界上每年開採的紅寶石其中品質最優者僅占千分之一。世界天然紅寶石迄今發現最大的重3450克拉產自緬甸，世界著名的巨大星光紅寶石重138.7克拉，著名的鴿血紅寶石重55克拉。世界紅寶石最有名的產地是緬甸曼德拉的東北部，還有泰國、斯里蘭卡、高棉．1973年在非洲肯亞的恩乾加，1978年在澳大利亞中部阿利斯波利，70年代末在巴基斯擔的罕薩先後發現大型紅寶石礦藏，以上發現被譽為70年代世界紅寶石礦三大發現。我國紅寶石主要產地為雲南、青海，數量不多質量也不大理想。

人造剛玉歷史

1877年法國化學家弗雷米將純氧化鋁粉末、碳酸鉀、氟化鋇和少量重鉻酸鉀作原料，在坩堝中經高溫熔融8天，獲得小顆粒紅寶石晶體，這是人造紅寶石的開端。

人造剛玉

1885年在瑞士日內瓦出現一些品質優良的人造紅寶石，據說是由天然紅寶石碎片，加上增強紅色的重鉻酸鉀等經高溫熔融製成，和天然品性質相同。然而真正實現人工製造寶石並能投入規模化生產的要歸功於法國化學家維爾納葉。

製作

人造剛玉磨料的製法：

棕剛玉是將氧化鋁含量高的礬土配入無煙煤或焦炭等碳素材料和鐵屑，在電弧爐中熔煉而成。碳素材料的作用是還原礬土中的二氧化矽和氧化鐵等。棕剛玉純度高、流動性能優異、結晶好、線性膨脹係數低、耐高溫、耐腐蝕。是目前磨料磨具，噴砂研磨，耐火材料等行業必不可少的工業材料。有“工業牙齒”之稱。

鐵屑的作用是：

①與還原了的矽、鐵等結成密度大於剛玉的鐵合金，與剛玉熔液分離沉於爐底；

②使鐵合金具有較高的感磁性，以便將夾雜在剛玉中的鐵合金，通過磁選分離出來。煉得的熔液冷卻成結晶塊，再經破碎、篩分、磁選而成各種粒度的產品。煉得的熔液若快速冷卻則成為微晶剛玉；若控制還原程度，存留較多的二氧化矽、氧化鐵等雜質，可得黑剛玉。單晶剛玉是在上述爐料中再加入黃鐵礦煉得的，其熔塊經水解除去硫化鋁後，即得單晶體的剛玉顆粒。鋯剛玉用與冶煉棕剛玉相同的原料，外加氧化鋯含量高的原料（如鋯英砂）經冶煉製成，也有用氧化鋁粉和氧化鋯粉混合熔融而成的，成品中含氧化鋯10～40%。

白剛玉是將高純度的氧化鋁粉，在電弧爐中熔化，把冷卻後的結晶塊再加工成各種粒度的產品。在熔化氧化鋁粉時，如加入適量的三氧化二鉻可得鉻剛玉。

燒結剛玉磨料是將氧化鋁含量高的礬土或氧化鋁粉，磨細至10微米以下，加入適量的添加劑（如氧化鋯、氧化鎂）和粘結劑，經擠壓、切斷成短的細棒狀（約為直徑1毫米，長5毫米），在窯中燒結而成。