什么是煅烧氧化铝?什么是人造刚玉?

什么是煅烧氧化铝?什么是人造刚玉?
什么是煅烧氧化铝?什么是人造刚玉?

什么是煅烧氧化铝?什么是人造刚玉?
氧化铝、刚玉、红宝石和蓝宝石虽然名称各异,其形态、硬度、性质、用途也不相同,贵贱更是相距甚远,但是它们的化学成份却完全相同,皆是氧化铝．
一．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（Al2O3·H2O和Al2O3·3H2O）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．
目前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％．
二．刚玉
自然界天然存在的α型氧化铝晶体叫做刚玉,常因含有不同的杂质而呈现不同的颜色．刚玉一般呈带蓝或带黄的灰色,有玻璃或金刚光泽,密度在3.9-4.1g/cm3,硬度8.8,仅次于金刚石和碳化硅,能耐高温．含有铁的氧化物的刚玉砂叫金刚砂,呈暗灰色、暗黑色,常作研磨材料,用于制各种研磨纸、砂轮、研磨石,也用于加工光学仪器和某些金属制品．
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．
三．红宝石和蓝宝石
混有少量不同氧化物杂质的优质刚玉就是大名鼎鼎的红宝石和蓝宝石,是制作名贵首饰的材料,其微粒可制精密仪表和手表的轴承．
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．
蓝宝石因其在自然界存在比红宝石数量要多,故早在公元前800年就被人类当作宝石．它也是天然的α型氧化铝晶体．因含有少量铁和钛杂质,颜色从很淡的蓝色至深靛蓝,尤以中等程度的蓝色最为珍贵．天然刚玉晶体中若含少量铁、钴呈绿色,含钒呈翠绿,含镍、镁呈黄色,含锰、铁呈褐色,这些有色刚玉一般也归入蓝宝石．蓝宝石的硬度、密度、类似红宝石,也有金刚光泽,少数有星光效果,它是九月生辰石．我国蓝宝石主要产地为山东省昌乐县和海南省文昌县,此外江苏、福建也有出产,虽然数量比红宝石要大,但质量也不甚理想．世界蓝宝石主要产自澳大利亚和斯里兰卡,两国约集中了世界蓝宝石资源的80％,其中澳大利亚就占60％,此外印度、缅甸、泰国、柬埔寨、马达加斯加、俄国、南非、美国也有出产．美国某博物馆藏有一颗重563克拉的印度星光蓝宝石,色泽稍暗淡,星光完美几乎无瑕疵．1984年在澳大利亚发现著名昆土兰星光蓝宝石,为历来发现的最大星光刚玉,原石重1156克拉,琢磨后重733克拉,呈椭圆形如鸡蛋,后为美国洛杉矶一家私人宝石公司所收藏．1996年下半年一批泰国宝石学家在非洲马达加斯加发现了迄今世界上最大的一串绿宝石．他们化了一周时间挖掘一块巨大的云母,在云母下面发现了一串绿宝石,共有127块,重达数十千克,价值5千万美元．泰国的曼谷是日前世界上最大的红、蓝宝石加工中心,宝石的改色、雕琢工艺技术水平居世界前茅,宝石加工业是该国的支柱产业．
四．人造红宝石、蓝宝石
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,据说是有天然红宝石碎片,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．
维尔纳叶在1891年发明火焰熔融法,并用该法试制人造宝石,成功后又用纯净的氧化铝试验．在高温马弗炉中用倒置的氢氧吹管进行试验,含有少量氧化铬的纯净氧化铝细末慢慢落入火焰中熔化,滴在基座上冷凝结晶．经过十年的努力,1904年维尔纳叶正式制造出了人造红宝石,以后火焰熔融法逐渐完善,生产出的红宝石和天然品几乎无差别．该法一直沿用到现代,至今仍是世界生产人造宝石的主要方法,人称“维尔纳叶法”.现在只要数小时就能制造出100克拉以上的红宝石原石,外观呈倒梨形或胡萝卜形的人造刚玉晶体,质地纯净,颜色透明度甚至超过天然品,经济效益巨大．现代维尔纳叶法不仅能生产从浅粉红色至深红色的红宝石,还能生产各种颜色的蓝宝石,甚至还能生产带有星光的红宝石和蓝宝石,真是巧夺天工．
人造红、蓝宝石不仅在外观上,而且在理化、光学性质上也和天然品完全一致,但价格仅为天然品的1/3到1/20,只有在显微镜下才能发现人造宝石中微小的空气泡呈圆形,天然品中空气泡为扁形这一细微的差别．我国现在的人造刚玉年产量达70t,颜色有红色、蓝色、无色,生产耗电量大,每生产1kg刚玉耗电量在1200至1400kw/h．
本世纪六十年代科学家研制成功红宝石单晶体,为激光技术的发展提供了物质基础,世界上第一台产生激光的仪器就是用红宝石单晶制成的．