Na-β-Al2O3陶瓷是一種多鋁酸鹽，它是由鋁氧復(fù)合離子和堿金屬、堿土金屬或某些一價、二價陽離子所組成的一系列化合物。其通式為nAO3·Me2O,是非化學(xué)計量化合物。其中A代表三價金屬離子如Al3+、Ga3+、Fe3+等，Me代表一價離子如Na+、Li+、K+、H3O+等。

Na-β-Al2O3陶瓷是指主晶相為β-Al2O3的固溶體電解質(zhì)陶瓷，主要是Na-β-Al2O3(Na2O-11Al2O3)、β"-Al2O3[Na2O-(0. 5~7)Al2O3]等。

1. Na-β-Al2O3陶瓷的導(dǎo)電機理

首先要了解Na-β-Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)，Na-β-Al2O3實際上是由鋁氧基塊和鈉氧層交疊而成的。氧離子以ABCA的層次按最緊密堆積的方式堆積成致密層，Al3+離子處在由氧離子組成的四面體的空隙。密置層之間是［NaO]-層，［NaO]-層之間通過 Al-O-Al鏈聯(lián)系起來，圖中致密層的原子配置與尖晶石結(jié)構(gòu)相似，所以又叫做“尖晶石基塊”。一個Na-β-Al2O3晶胞包括兩個“尖晶石基塊”，在基塊與基塊之間排列著較為松散的鈉氧層。在鈉氧層上下各有一個鋁原子形成鋁氧橋O3-Al-O-Al-O3,它在基塊之間起連接作用。

由于Na-β-Al2O3的上述結(jié)構(gòu)特點，在密堆的基塊中，離子運動較困難，而在松散的鈉氧層中，鈉離子在松散層可以進行移動、擴散、離子交換。這種鈉離子只能在兩個尖晶石基塊中間的［NaO]-擴散層移動，因此，可以認為，β-Al2O3的導(dǎo)電性是由Na+在垂直于c軸的［NaO]-層平面內(nèi)的移動而產(chǎn)生的。在溫度為300℃時，Na+擴散系數(shù)可達1x10^(-5)cm2/s，電導(dǎo)率達0.03Ω-1·cm-1。β"-Al2O3的電導(dǎo)率為0.2Ω-1·cm-1，是β-Al2O3的6倍多。實際上，β-Al2O3的導(dǎo)電性受溫度、陽離子、外加電壓、鈉化學(xué)位能以及鈉濃度等諸多因素的影響。

2.Na-β-Al2O3陶瓷的制造工藝

Na-β-Al2O3陶瓷的制造工藝與一般陶瓷工藝相似。最重要的是要注意原料的純度，應(yīng)采用純的Al2O3粉末，按一定的配比加入純的Na2O(一般以NaCO3形）。對于β"-Al2O3陶瓷，可適當(dāng)加入某些添加劑（如MgO、Li2O等）以使其性能穩(wěn)定。

粉末制備有兩種方法；固相反應(yīng)法和化學(xué)反應(yīng)法。固相反應(yīng)法是在1600℃左右溫度下預(yù)合成 Na-β-Al2O3粉末；化學(xué)反應(yīng)法是用組成氧化物的可溶性鹽按比例配成溶液，噴霧、冷凍干燥后熱分解，或者從溶液制成凝膠，真空脫水后熱分解制成粉末。前者制法簡單，較經(jīng)濟，易于工業(yè)化生產(chǎn)。后者所得的粉末組成均勻，合成溫度較低。此外，還有一種介于以上兩法之間的所謂“泥漿溶液噴霧干燥法”，即將鈉和鋰的可溶性鹽溶在α-Al2O3的懸浮液中，然后噴霧干燥而成。

在不影響Na-β-Al2O3性能的前提下，可以適當(dāng)加入一些添加劑，以降低其燒結(jié)溫度并改善其性能。由于Na在高溫下易蒸發(fā)，在配料時為保持Na2O/Al2O3的比例，需采取一定的措

施以防止Na的蒸發(fā)。

β-Al2O3原料可采用電熔β-Al2O3，經(jīng)過脫炭、球磨、酸洗、清洗、烘干等工序制得。

由于坯料中的鈉含量低于Na-β-Al2O3的化學(xué)式量Na2O·11Al2O3,故在上述粉料中需再加入一定的Na2CO3,使組成中的鈉含量增加到7.5wt%。為降低燒結(jié)溫度，改善鈉離子的導(dǎo)電性能，需另加2. 5wt%MgO。

制品的成型可采用注漿或等靜壓成型工藝。

在燒結(jié)時為防止高溫時鈉的蒸發(fā)，需采用β-Al2O3制成內(nèi)缽，Na-β-Al2O3陶瓷放入缽內(nèi)，外面再用剛玉砂制成的匣缽包裝密封。燒結(jié)應(yīng)在鈉氣氛保護下，在1770~1800℃溫度下進行，保溫時間一般為45~60min。

3.Na-β-Al2O3 陶瓷的性能與用途

Na-β-Al2O3陶瓷具有很高的導(dǎo)電性，Na-β-Al2O3陶瓷主要用作鈉－硫電池和鈉-溴電池的隔膜材料，這兩種電池廣泛應(yīng)用于電子手表、電子照相機、聽診器和心臟起搏器等。

鈉－硫電池是一種新型固體電解質(zhì)電池。它的理論比能量達760Wh/kg,為鉛酸蓄電池的10倍。而且，它充電效應(yīng)高，無污染，原料來源豐富。

鈉－硫電池的結(jié)構(gòu)為：Na∣β-Al2O3∣NaxSx·S(C)

Na為負電極，β-Al2O3為離子通道，S為正電極。為降低硫極電阻，在硫極中加入多孔石墨、碳氈等(C為碳類的意思)。

鈉－硫電池如同鉛酸蓄電池一樣能不斷使用，循環(huán)使用可達1000余次，壽命是鉛酸蓄電池的5倍。