氧化铝有着非常多的相态，即α-Al₂O₃、γ-Al₂O₃、η-Al₂O₃、δ-Al₂O₃、θ-Al₂O₃、χ-Al₂O₃、κ-Al₂O₃等。不同晶型由于其晶体结构的差异而表现出不同的性能，应用在不同的领域。而α-Al₂O₃作为铝的氧化物中最为稳定的晶相，以其独特优势，在电子领域备受关注。

图1、α—Al₂O₃粉体  来源：百度百科

一、α—Al₂O₃的结构及其特性

在α—Al₂O₃的晶体结构中，由3个氧原子组成的面是两相邻接的八面体所共有，整个晶体可以看成无数八面体[AlO₆]通过共面结合而成的大“分子”，这一结构使得α－氧化铝的稳定性大。同时这种紧密堆积结构，Al-O化学键很强，晶格能很大，使得α-Al₂O₃的熔点高达2050℃，莫氏硬度高达9，并且α相具有耐酸碱、绝缘性能好﹑耐高温﹑导热率高等优点，因此应用也最多。 

图2、α—Al₂O₃的结构示意图和主要性质

二、α—Al₂O₃的制备方法

目前，α-Al₂O₃的制备方法有固相、液相以及气相三种，固相、液相合成方法中分别主要以机械研磨法、燃烧法，和溶胶－凝胶法、沉淀法制备 α-A1₂O₃粉末，气相合成方法则主要是通过化学气相沉积法制备氧化铝薄膜。基于这些方法可使 α-A1₂O₃制备满足多个领域的应用，所以针对制备过程中α-A1₂O₃晶粒的影响因素，如温度、pH 值、矿化剂类型等，已经存在较为成熟的研究结论。

图3、α—Al₂O₃的制备方法

（1）固相合成法

固相合成方法通常是以工业氧化铝或氢氧化铝为原料，经过高温煅烧后生成α—Al₂O₃。但煅烧温度过高会引起氧化铝粒径增大和颗粒聚集现象，导致α—Al₂0₃的高温性能受到较大影响，因此通常采用机械球磨或加入矿化剂的方法来改善产品的质量。加入矿化剂的主要目的是去除产品中的金属氧化物，降低相变温度，控制晶粒尺寸和形貌。

（2）液相制备

工业氧化铝中存在碱金属氧化物（尤其是Na₂O）等杂质，为了改善这种情况，通常采用溶胶凝胶法以铝盐与酸或碱反应制备氧化铝前体，然后高温煅烧制备α—Al₂O₃。这种方法的煅烧温度低，得到的氧化铝纯度高。但制备工艺复杂，对原料纯度要求高。在溶胶－凝胶法制备α—Al₂O₃的过程中添加α—Al₂O₃晶种是很常见的一种方法，目的是为了让氧化铝从θ相转变为α相。

（3）气相制备

化学气相淀积（CVD) 在气相合成中是最为经典的方法，利用气体，或者通过一定的方法加热，使物质转变为气体，在气态下两种或两种以上材料发生物理或化学反应，形成新材料，新材料沉积到晶片表面，在冷却过程中凝聚长大，形成超细粉体的过程。该方法常用于制备适用于航空航天领域的α-Al₂O₃涂层材料。

三、α—Al₂O₃电子领域的应用

（1）环氧复合绝缘材料

因α—Al₂O₃的绝缘性能好﹐且和环氧树脂有较好的相容性，填充到环氧树脂中可以起到颗粒补强作用﹐并能提高导热能力﹐因此，可以和环氧树脂制备成复合材料，应用到高压绝缘材料﹐比如高压开关盆式绝缘子、高压互感器、绝缘拉杆、环氧套管等，电压等级从110～1000kV。

图4、高压开关用盆式绝缘子  

（2）电子陶瓷

α—Al₂O₃不但具有良好的成瓷性能﹐且具有高电阻率、高热导率、低介电常数、介电损耗，因此被制备成不同的电子陶瓷﹐主要用于电子封装、真空灭弧室、行波管﹑点火器等。

电气陶瓷其中之一就是集成电路基板﹐随着电子技术的发展﹐不断推出多层共烧技术（HTCC、LTCC），进一步提高了集成电路的小型化，氧化铝陶瓷基片已成为应用最广泛的电子陶瓷，占电子陶瓷基片的90%，已成为电子工业不可或缺的材料。

图5、氧化铝陶瓷电路板 来源：同达鑫官网

（3）导热绝缘材料

α—Al₂O₃不但具有良好的绝缘性能﹐且热导率为30 W /(m∙K)，相对氮化铝﹑氮化硼等性价比高，且在硅胶﹑硅油体系有良好的分散性能，因此，在电子导热绝缘领域占有很大的比重，常用于导热硅胶片、导热灌封胶﹑导热硅脂等材料。

导热硅胶垫能够填充到电子元件和壳体或散热器的缝隙中﹐起到散热作用，同时还起到绝缘﹑减震﹑密封等作用。导热灌封胶用于封装电子元器件﹑线路等，提高整体性和耐候性及抗震等性能。导热硅脂主要是由氧化铝和硅油配制，并加有稳定剂和改性添加剂，调配成均匀的膏状物质，用于散热器和器件之间。

图6、 导热硅胶垫片 来源：中铝郑州研究院

（4）电子玻璃

LCD（液晶）玻璃基板是一种区别于普通玻璃的电子玻璃，是平板显示的关键基础材料之一，其表面极其平整，厚度为0.1～0.7 mm。不但表观质量要求苛刻，而且还要求极低的膨胀系数，良好的化学稳定性﹑高的机械强度等，是一种制备技术要求极高的材料。LCD玻璃属于无碱铝硼硅酸盐玻璃，即为SiO₂一Al₂O₃一B₂O₃一RO体系（RO为碱土金属），因此要求其中的氧化铝为低钠α—Al₂O₃。

图7、液晶玻璃基板 来源：洛阳古洛玻璃有限公司

（5）锂离子电池

α—Al₂O₃在锂离子电池领域应用量最大的是隔膜涂层，即将α—Al₂O₃粉体均匀的涂覆在一层有微孔结构的聚烯烧薄膜表面，用于隔离正负极防止短路，但又能保证锂离子自由通过。涂覆氧化铝后﹐耐温可达180℃，而且极大地减小了收缩率，同时提高耐刺穿能力和吸液率，有效提高电池安全性能。

图8、锂电池概念图 来源中国电池网

总结

用于电子领域的α—Al₂O₃粉体要求也越来越高。更高品质的产品和产品指标的稳定将是未来的发展趋势。

（1）产品更高的纯度意味着电气元器件更高的可靠度，随着电气元器件的小型化，要求α—Al₂O₃具有更高的纯度，尤其是异物的含量将要求越来越高。

（2）高性能的亚微米α—Al₂O₃在未来高端电子应用领域有着较强的优势，更高转化率、小比表面积的亚微米粉体将是技术发展趋势。

（3）除了对产品理化指标的严格控制之外，作为电子领域应用的α—Al₂O₃，其产品的批一致性和稳定性越来越受到关注，成为产品质量重要的衡量指标。

 

参考来源：

1、低钠α—Al₂O₃在电子领域的应用 李建忠等

2、微波辅助制备高纯α—Al₂O₃粉体工艺及其性能研究  赵天歌

3、α—Al₂O₃相变机理及制备工艺研究进展  吴宇峰等

作者：晴天

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