氧化鋁（Al₂O₃）在自然界中含量高、分布廣，且家族極其龐大，種類繁多，在各種領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，是工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中不可替代的原料。這些領(lǐng)域?qū)ρ趸X粉體材料的要求與其形狀和粒度的大小密切相關(guān)。

 

球形氧化鋁成為了氧化鋁這個(gè)大家族中應(yīng)用最廣泛的材料，是其核心成員之一。

由于球形形貌相比于其他形貌比表面積大，分布均勻，所以球形氧化鋁粉體在實(shí)際應(yīng)用方面相比于其它形狀氧化鋁材料應(yīng)用性能會(huì)更好。不但可以應(yīng)用在陶瓷領(lǐng)域、催化劑及其載體領(lǐng)域方面，也可以應(yīng)用在研磨拋光電子器件等各種各樣的領(lǐng)域中。

七大領(lǐng)域展風(fēng)姿

• 導(dǎo)熱填料領(lǐng)域

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，先進(jìn)的電子設(shè)備越來(lái)越微型化，這些先進(jìn)的電子設(shè)備所產(chǎn)生的熱量也在成倍增加，對(duì)系統(tǒng)的散熱提出了很多的要求。因?yàn)檠趸X在市場(chǎng)中分布廣種類多，價(jià)格較其他導(dǎo)熱材料低，在高分子材料中填充量大，具有較高的性價(jià)比，因此目前的高導(dǎo)熱絕緣材料大多數(shù)是以氧化鋁為高導(dǎo)熱填料。其中在眾多形狀的氧化鋁來(lái)說(shuō)，纖維狀氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)最好，但不易實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化，而球形氧化鋁因其具有良好的形貌、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)、制備工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而被大量用于導(dǎo)熱填料領(lǐng)域。

 

新能源汽車三電系統(tǒng)采用熱界面材料

球形氧化鋁導(dǎo)熱填料還有一個(gè)火爆的市場(chǎng)便是新能源汽車，在新能源汽車中，電池、電控、電機(jī)等系統(tǒng)均需采用熱界面材料來(lái)解決熱失控問(wèn)題。

 

來(lái)源：QYResearch，開(kāi)源證券研究所

球形氧化鋁作為導(dǎo)熱材料主要用于熱界面材料、導(dǎo)熱工程塑料、導(dǎo)熱鋁基覆銅板、導(dǎo)熱塑封料等。根據(jù)QYResearch統(tǒng)計(jì)，熱界面材料占球形氧化鋁下游應(yīng)用比例達(dá)到48%，導(dǎo)熱工程塑料占比為17%，高導(dǎo)熱鋁基覆銅板占比14%。

• 陶瓷領(lǐng)域

在陶瓷的生產(chǎn)過(guò)程中加入一定量的球形氧化鋁粉體會(huì)在很大程度上改變陶瓷的性能。陶瓷的低溫脆性極大地影響了陶瓷的應(yīng)用范圍，添加有球形氧化鋁粉體的陶瓷材料可用于制造耐低溫塑性陶瓷。此外，球形氧化鋁可以大大提高陶瓷的韌性，當(dāng)球形氧化鋁粉體的含量為5.0％時(shí)，可以有效地提高陶瓷的韌性并降低燒結(jié)溫度。

• 研磨拋光領(lǐng)域

與傳統(tǒng)的顆粒狀或片狀氧化鋁相比，球形氧化鋁具有更好的分散性和流動(dòng)性。球形氧化鋁粉體磨料能均勻分布在被拋光產(chǎn)品中，不會(huì)出現(xiàn)粉體異常堆積的現(xiàn)象，而且顆粒表面光滑，可以避免對(duì)工件表面的劃傷，從而提高拋光表面的光潔度。

 

• 電子光學(xué)材料領(lǐng)域

球形氧化鋁在電子和光學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，球形氧化鋁作為基底，加入稀土元素作為激活劑，這種方法可以生產(chǎn)出性能更好的紅色發(fā)光材料。而球形氧化鋁顆粒大小均一，分散性均勻，較其他形狀的氧化鋁來(lái)說(shuō)發(fā)光性能較好，并能更好的決定了發(fā)光材料的填充結(jié)構(gòu)。球形的形貌和粒徑的減小可以減少粉體的透光率，有利于提高堆積密度，降低了透射光損失，減少球形氧化鋁作為發(fā)光材料的散射，提高了電子器件屏幕的亮度。

• 催化劑及其載體領(lǐng)域

因?yàn)檠趸X表面有大量的不飽和化學(xué)鍵合，具有大量的催化活性中心，所以表現(xiàn)出較高的化學(xué)活性。而且，球形氧化鋁具有顆粒磨損小、使用壽命長(zhǎng)、比表面積大的優(yōu)勢(shì)。因此，用球形氧化鋁制成的催化劑和催化劑載體的性能是其他材料無(wú)法替代的。

• 3D打印領(lǐng)域

球形氧化鋁因具有高強(qiáng)度、高球化率和耐高溫的特性而作為3D打印最常用的材料之一。由于球形氧化鋁粉體具有良好的顆粒流動(dòng)性、化學(xué)反應(yīng)速率和堆積性，因此作為打印漿料時(shí)具有固含量高、流動(dòng)性好、易清洗和機(jī)械性能高等優(yōu)點(diǎn)。

• 表面防護(hù)涂層領(lǐng)域

將球形氧化鋁用作噴涂材料是目前的研究熱點(diǎn)之一，噴涂材料不僅對(duì)高分子材料，玻璃金屬及合金材料有防護(hù)作用，而且能夠提升廚房炊具等一些不銹鋼產(chǎn)品的壽命。因?yàn)榍蛐窝趸X具有高硬度，耐腐蝕，耐高溫，形貌規(guī)則，大小均一和分散均勻等特點(diǎn)，所以常常被拿來(lái)用作防護(hù)材料。它既改變了材料的性能，又能使材料變得光滑耐磨。同時(shí)球形氧化鋁粉體作為噴涂材料在不同的環(huán)境中有著不同的應(yīng)用，不僅過(guò)程簡(jiǎn)單，而且對(duì)于多種材料表面都有著防護(hù)作用。

細(xì)分市場(chǎng)小而美

在球形氧化鋁的眾多應(yīng)用中，其作為導(dǎo)熱填料占主導(dǎo)地位。

根據(jù)高工產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2022年全球?qū)岱垠w材料市場(chǎng)規(guī)模為50.4億元，其中球形氧化鋁導(dǎo)熱粉體市場(chǎng)規(guī)模占比50.8%，為25.6億元，同比增長(zhǎng)30.7%。受益于新能源汽車市場(chǎng)增長(zhǎng)，再加上氧化鋁價(jià)格下降使得其在5G、消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)岱垠w材料中滲透率增加，2022-2025年全球球形氧化鋁導(dǎo)熱材料市場(chǎng)規(guī)模年復(fù)合增速將達(dá)28.2%，到2025年將達(dá)54.0億元。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）

2022年中國(guó)球形氧化鋁導(dǎo)熱粉體市場(chǎng)規(guī)模為7.5億元，同比增長(zhǎng)41.5%。近幾年中國(guó)球形氧化鋁導(dǎo)熱粉體市場(chǎng)規(guī)模全球占比逐年提升，2022年為29.3%。預(yù)計(jì)2025年中國(guó)球形氧化鋁導(dǎo)熱粉體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)21億元，在全球占比38.9%。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）

日本與中國(guó)是全球球形氧化鋁導(dǎo)熱粉體主要生產(chǎn)國(guó)，根據(jù)高工產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2022年日本球形氧化鋁產(chǎn)值在全球占比48%，主要企業(yè)包括日本電氣化學(xué)、昭和電工、日本雅都瑪以及新日鐵。中日占據(jù)了全球超70%的市場(chǎng)份額。

 

中國(guó)作為球形氧化鋁導(dǎo)熱粉體的主要消費(fèi)國(guó)，根據(jù)高工產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2022年中國(guó)球形氧化鋁導(dǎo)熱粉體出貨量為2.75萬(wàn)噸，其中百圖股份占比36%，居行業(yè)第一，行業(yè)前三企業(yè)合計(jì)出貨量占比65%，市場(chǎng)集中度較高。

制備方法層出不窮

球形氧化鋁粉體材料的制備方法不同，則生成產(chǎn)物的性質(zhì)也不盡相同。目前，制備球形氧化鋁粉體的方法主要包括：火焰熔融法、噴射法、模板法、氣溶膠分解法、溶膠-凝膠法、水熱法、滴球法、均相沉淀法、球磨法。

• 火焰熔融法

火焰熔融法是直接將形貌不規(guī)則的氧化鋁粉噴入火焰中，使氧化鋁粉在火焰中熔化成球。雅安百圖采用的火焰熔融法以天然氣作為燃料，輔以氧氣燃燒，當(dāng)粉體穿過(guò)火焰高溫區(qū)時(shí)，熔融成球。

 

• 噴射法

噴射法制備球形氧化鋁是指在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)相的轉(zhuǎn)變，利用表面張力的作用使產(chǎn)物球形化，根據(jù)相轉(zhuǎn)變特點(diǎn)又可將噴射法分為噴霧熱解法、噴霧干燥法和噴射熔融法。

 

噴霧熱分解與等離子體實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

噴霧熱解法是將配置好的前驅(qū)體溶液霧化為小液滴后進(jìn)入高溫反應(yīng)爐后發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成球形顆粒。噴霧干燥法是通過(guò)將流體進(jìn)料噴霧到加熱的空氣流中而將水基懸浮液（漿料）轉(zhuǎn)變成干燥顆粒（原料）的過(guò)程，通過(guò)發(fā)生快速的傳熱和傳質(zhì)，最終生成空心顆?；蚬腆w球體。噴射熔融法是利用射頻等感應(yīng)離子體使氧化鋁快速融化，再經(jīng)噴射快速冷卻獲得球形氧化鋁的方法。

• 模板法

模板法制備球形氧化鋁是以具有球形形貌的膠體粒子作為前驅(qū)體的核模板，經(jīng)歷組裝、吸附、溶膠凝膠作用、沉淀反應(yīng)等一系列的過(guò)程，在核模板外包裹一層核/殼結(jié)構(gòu)微球，再利用溶劑溶解核或者高溫煅燒的方法去除掉核模板，最終獲得空心微球。它可以有效控制材料形貌，根據(jù)材料性質(zhì)，又可將其分為硬模板法和軟模板法。

模板法制備氧化鋁球的一般步驟

• 氣溶膠分解法

氣溶膠分解法制備球形氧化鋁主要是液態(tài)的醇鋁鹽為原料，利用其物理化學(xué)性質(zhì)，與水蒸氣在霧化過(guò)程中發(fā)生水解反應(yīng)，繼而在高溫下干燥或者熱解，實(shí)現(xiàn)了氣相轉(zhuǎn)化為液相最終生成固相的氧化鋁顆?；驓庀嘀苯愚D(zhuǎn)化為固相氧化鋁。主要可分為以下四個(gè)步驟：醇鋁原料的霧化反應(yīng)；氣溶膠的形成；氣溶膠的水解以及固態(tài)顆粒的形成；生成固體顆粒的回收。

 

氣溶膠分解法流程簡(jiǎn)圖

• 溶膠凝膠法

溶膠凝膠法制備球形氧化鋁主要是以金屬醇氧化合物或有機(jī)金屬前驅(qū)體所得溶膠的相變?yōu)榛A(chǔ)。通過(guò)在溶液中合成含有懸浮粒子的溶液，經(jīng)低溫聚合形成濕凝膠，進(jìn)而干燥凝膠除去溶劑，經(jīng)一系列的熱處理后得到產(chǎn)物。如今，大多學(xué)者都將溶膠-凝膠法與乳液法相結(jié)合，來(lái)制備形貌更好的球形氧化鋁。

• 水熱法

水熱法制備球形氧化鋁是以鋁鹽為原料，一般使用水溶液為介質(zhì)，在密閉的高壓反應(yīng)釜中，通過(guò)加熱升溫形成高溫高壓的反應(yīng)環(huán)境，使物質(zhì)溶解、重結(jié)晶過(guò)程中定性生長(zhǎng)合成結(jié)晶完好的球形氧化鋁顆粒。

• 滴球法

滴球法制備球形氧化鋁是在溶膠-乳液-凝膠法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，將乳液法的工藝技術(shù)用于老化階段，而產(chǎn)物氧化鋁直接進(jìn)入油層，通過(guò)表面張力形成溶膠，然后放入氨水溶液中形成凝膠，最終進(jìn)行干燥煅燒處理，獲得球形氧化鋁粉體顆粒。

• 均相沉淀法

沉淀法制備球形氧化鋁是在鋁鹽溶液中加入沉淀劑，形成不溶性氫氧化物沉淀。沉淀形成過(guò)程中，晶核形成后經(jīng)歷聚集、長(zhǎng)大、析出的過(guò)程。一般情況下此過(guò)程發(fā)生的反應(yīng)是非平衡態(tài)的，為促使細(xì)小均勻的沉淀顆粒在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持平衡態(tài)，通常選擇降低沉淀劑在均相溶液中的濃度，或者使沉淀反應(yīng)緩慢發(fā)生。

• 球磨法

球磨法主要是將原料放入球磨機(jī)中，利用其高轉(zhuǎn)速下的碰撞力和撞擊力將原料粉碎成超細(xì)粉體，同時(shí)高速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生，從而生成新物質(zhì)。球磨法制備超細(xì)氧化鋁粉體，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，產(chǎn)量高，但也存在局限性，如產(chǎn)物粒度分布不均勻、最小粒徑受機(jī)械限制、很難獲得球形顆粒等。

參考來(lái)源：

[1]賈睿.球形氧化鋁的制備、表征及性能模擬

[2]鄭興農(nóng).球形氧化鋁粉體的制備及性能模擬研究

[3]孫子婷.三種制備球形氧化鋁粉體工藝研究

[4]雅安百圖招股說(shuō)明書(shū)