Na-β-Al2O3陶瓷

Na-β-Al2O3陶瓷是一种多铝酸盐，它是由铝氧复合离子和碱金属、碱土金属或某些一价、二价阳离子所组成的一系列化合物。其通式为nAO3·Me2O,是非化学计量化合物。其中A代表三价金属离子如Al3+、Ga3+、Fe3+等，Me代表一价离子如Na+、Li+、K+、H3O+等。

Na-β-Al2O3陶瓷是指主晶相为β-Al2O3的固溶体电解质陶瓷，主要是Na-β-Al2O3(Na2O-11Al2O3)、β"-Al2O3[Na2O-(0. 5~7)Al2O3]等。

1. Na-β-Al2O3陶瓷的导电机理

首先要了解Na-β-Al2O3的晶体结构，Na-β-Al2O3实际上是由铝氧基块和钠氧层交叠而成的。氧离子以ABCA的层次按最紧密堆积的方式堆积成致密层，Al3+离子处在由氧离子组成的四面体的空隙。密置层之间是［NaO]-层，［NaO]-层之间通过 Al-O-Al链联系起来，图中致密层的原子配置与尖晶石结构相似，所以又叫做“尖晶石基块”。一个Na-β-Al2O3晶胞包括两个“尖晶石基块”，在基块与基块之间排列着较为松散的钠氧层。在钠氧层上下各有一个铝原子形成铝氧桥O3-Al-O-Al-O3,它在基块之间起连接作用。

由于Na-β-Al2O3的上述结构特点，在密堆的基块中，离子运动较困难，而在松散的钠氧层中，钠离子在松散层可以进行移动、扩散、离子交换。这种钠离子只能在两个尖晶石基块中间的［NaO]-扩散层移动，因此，可以认为，β-Al2O3的导电性是由Na+在垂直于c轴的［NaO]-层平面内的移动而产生的。在温度为300℃时，Na+扩散系数可达1x10^(-5)cm2/s，电导率达0.03Ω-1·cm-1。β"-Al2O3的电导率为0.2Ω-1·cm-1，是β-Al2O3的6倍多。实际上，β-Al2O3的导电性受温度、阳离子、外加电压、钠化学位能以及钠浓度等诸多因素的影响。

2.Na-β-Al2O3陶瓷的制造工艺

Na-β-Al2O3陶瓷的制造工艺与一般陶瓷工艺相似。最重要的是要注意原料的纯度，应采用纯的Al2O3粉末，按一定的配比加入纯的Na2O(一般以NaCO3形）。对于β"-Al2O3陶瓷，可适当加入某些添加剂（如MgO、Li2O等）以使其性能稳定。

粉末制备有两种方法；固相反应法和化学反应法。固相反应法是在1600℃左右温度下预合成 Na-β-Al2O3粉末；化学反应法是用组成氧化物的可溶性盐按比例配成溶液，喷雾、冷冻干燥后热分解，或者从溶液制成凝胶，真空脱水后热分解制成粉末。前者制法简单，较经济，易于工业化生产。后者所得的粉末组成均匀，合成温度较低。此外，还有一种介于以上两法之间的所谓“泥浆溶液喷雾干燥法”，即将钠和锂的可溶性盐溶在α-Al2O3的悬浮液中，然后喷雾干燥而成。

在不影响Na-β-Al2O3性能的前提下，可以适当加入一些添加剂，以降低其烧结温度并改善其性能。由于Na在高温下易蒸发，在配料时为保持Na2O/Al2O3的比例，需采取一定的措

施以防止Na的蒸发。

β-Al2O3原料可采用电熔β-Al2O3，经过脱炭、球磨、酸洗、清洗、烘干等工序制得。

由于坯料中的钠含量低于Na-β-Al2O3的化学式量Na2O·11Al2O3,故在上述粉料中需再加入一定的Na2CO3,使组成中的钠含量增加到7.5wt%。为降低烧结温度，改善钠离子的导电性能，需另加2. 5wt%MgO。

制品的成型可采用注浆或等静压成型工艺。

在烧结时为防止高温时钠的蒸发，需采用β-Al2O3制成内钵，Na-β-Al2O3陶瓷放入钵内，外面再用刚玉砂制成的匣钵包装密封。烧结应在钠气氛保护下，在1770~1800℃温度下进行，保温时间一般为45~60min。

导电陶瓷

3.Na-β-Al2O3 陶瓷的性能与用途

Na-β-Al2O3陶瓷具有很高的导电性，Na-β-Al2O3陶瓷主要用作钠－硫电池和钠-溴电池的隔膜材料，这两种电池广泛应用于电子手表、电子照相机、听诊器和心脏起搏器等。

钠－硫电池是一种新型固体电解质电池。它的理论比能量达760Wh/kg,为铅酸蓄电池的10倍。而且，它充电效应高，无污染，原料来源丰富。

钠－硫电池的结构为：Na∣β-Al2O3∣NaxSx·S(C)

Na为负电极，β-Al2O3为离子通道，S为正电极。为降低硫极电阻，在硫极中加入多孔石墨、碳毡等(C为碳类的意思)。

钠－硫电池如同铅酸蓄电池一样能不断使用，循环使用可达1000余次，寿命是铅酸蓄电池的5倍。