Měrná tepelná kapacita oxidu hlinitého

Hliníková technická keramika patří mezi nejpoužívanější díky svým vynikajícím vlastnostem za atraktivní cenu. Hliník se může pochlubit vynikající měrnou tepelnou kapacitou a dodává se v různých druzích.

Tento článek zkoumá vliv nanočástic oxidu hlinitého (NČ) na jednotlivé koeficienty hydrofobicity (SHC) nanokapalin na bázi roztavených solí. Experimentální údaje ukázaly, že SHC se snižují s poklesem velikosti i koncentrace NP; dále byly navrženy teoretické předpovědi podporující tyto experimentální výsledky.

Termodynamické vlastnosti

Hliník je jednou z nejpoužívanějších technických keramik, která je známá pro své vynikající tepelné vlastnosti, odolnost proti korozi a opotřebení. Jemnozrnný technický oxid hlinitý nabízí vyšší mechanickou pevnost a pevnost v tlaku než jakákoli jiná oxidová keramika; navíc se může pochlubit nízkou dielektrickou konstantou a chemickou inertností, takže je vhodný do drsných prostředí.

Jeho termodynamické vlastnosti však stále nejsou dostatečně známy, například jeho vysoké měrné teplo ztěžuje jeho rychlé ochlazení. Proto je při použití oxidu hlinitého v různých aplikacích nezbytné porozumět jeho termodynamickým vlastnostem; jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je měření entropie standardního stavu a Gibbsovy volné energie, jak je uvedeno níže.

Termodynamické údaje o oxidu hlinitém lze použít k výpočtu jeho entalpie vypařování a entropie krystalizace, což poskytuje neocenitelné informace při navrhování procesů, které tento materiál vyžadují, nebo při porovnávání jeho výkonnosti mezi různými výrobky. Entalpie vypařování vzorků oxidu hlinitého závisí na jejich teplotě, tlaku a hustotě - lze ji určit z teplotní závislosti jeho tlaku par a entalpie odvozené řešením Poissonovy rovnice ve válcových objemech pro vzorky s podobnou geometrií, jaká byla zjištěna zde.

Tento vzorec lze použít k výpočtu entalpie vypařování pevných vzorků na základě údajů o teplotě a tlaku, i když je důležité si uvědomit, že vzorky s velkým povrchem mohou mít vyšší entalpie vypařování než jejich objemové ekvivalenty.

Výpočet entalpie vypařování vyžaduje zohlednění teploty, protože její hodnota závisí na kolísání teploty; její hodnota totiž roste se zvyšující se teplotou vzorku. Proto je nezbytné, aby měření měrného tepla i entalpie probíhala při podobných teplotách.

Termodynamické údaje o oxidu hlinitém lze získat buď pomocí adiabatického kalorimetru, nebo vpuštěním kapky do Bunsenova ledového kalorimetru a změřením její entropie ve standardním stavu pomocí kterékoli techniky. Jak ukazuje obrázek 4, entropie ve standardním stavu se zvyšuje s rostoucí teplotou a dosahuje nejvyšší hodnoty při teplotě 14 K.

Tepelná vodivost

Tepelná vodivost udává, jak snadno se teplo pohybuje materiálem. Tato vlastnost je dána interakcemi mezi molekulami v materiálu a jejich pohybem v něm, jeho strukturou a uspořádáním, které ovlivňují tepelnou vodivost, a také použitými měřicími technikami. Hliník má jednu z nejvyšších tepelných vodivostí mezi technickou keramikou - je tedy vynikajícím kandidátem pro použití v brusných a žáruvzdorných materiálech.

Tepelná vodivost oxidu hlinitého je dána jeho molekulárním uspořádáním a délkou dráhy, kterou musí teplo projít, což zase závisí na teplotě. Nižší teploty obvykle vedou k vyšší tepelné vodivosti, zatímco jeho struktura může být změněna manipulací; například nečistoty v oxidu hlinitém mohou mít vliv na jeho vodivost, protože způsobují nižší hodnoty než čisté formy.

V tepelných vlastnostech oxidu hlinitého hraje roli také jeho velikost; menší granule mají tendenci vykazovat menší tepelnou vodivost než jejich větší protějšky, protože mají větší povrch, který na sebe vzájemně působí a vyměňuje si energii s okolím. Větší granule však mají tendenci zůstávat izolované a nesnadno si mezi sebou vyměňují energii.

Tepelnou vodivost mohou ovlivňovat atomové a molekulární interakce i hustota materiálu. Kovová slitina bude mít nižší tepelnou vodivost v důsledku vibrací atomů v pevném tělese, které snižují střední volnou dráhu volných elektronů v ní, což vede k tomu, že ztrácejí tepelnou energii účinněji než její čistě kovový protějšek.

Měrná tepelná kapacita oxidu hlinitého - neboli kolik energie potřebuje ke zvýšení své teploty o určitou hodnotu - má vliv na jeho tepelnou vodivost, protože vyšší hodnota měrného tepla znamená, že ke zvýšení teploty potřebuje více energie.

Měrná tepelná kapacita oxidu hlinitého se může značně lišit v závislosti na teplotě kalcinace a obsahu vody v materiálu, přičemž korund (a-Al2O3) má ze všech forem nejvyšší měrnou tepelnou kapacitu. Fáze G-Al2O3 mají obvykle nižší měrné tepelné kapacity ve srovnání se svými protějšky, což se odráží v jejich nižší tepelné vodivosti.

Odolnost proti korozi

Hliník je odolný technický keramický materiál s vynikající odolností proti korozi, tepelnou stabilitou a teplotní odolností. Kromě toho se oxid hlinitý dodává v různých tvarech, velikostech a třídách, aby vyhovoval specifickým aplikačním potřebám.

Měď nebo jiné kovy mohou pomoci zlepšit odolnost oxidu hlinitého proti korozi tím, že se přidají do jeho matrice, pomohou zmenšit krystalickou strukturu a podpoří tvorbu více ochranných vrstev. Niob, titan a vanad mohou být také přidány pro další zlepšení odolnosti proti korozi.

Dalším způsobem, jak zvýšit odolnost oxidu hlinitého proti korozi, je jeho zabudování do jiných slitin. Po kombinaci s dalšími prvky, jako je nikl nebo titan, mají austenitické korozivzdorné oceli (AFA SS) s obsahem oxidu hlinitého vyšší teplotní provozní schopnosti než jejich samostatný stav [1]. Mohou například odolávat teplotám přesahujícím 750 stupňů Celsia, aniž by to mělo vliv na životnost při tečení [1].

Niob může výrazně zvýšit odolnost oxidu hlinitého proti korozi v agresivním prostředí. Po přidání do matrice oxidu hlinitého vytváří karbid niobu (NbC), který je odolný vůči vysokým teplotám. Přídavek niobu navíc pomáhá stabilizovat mikrostrukturu oxidu hlinitého a zabraňuje jeho poškození během spékacích procesů.

Tuto metodu lze použít k výrobě slitin na bázi oxidu hlinitého s žádoucími vlastnostmi pro různé aplikace, včetně automobilového průmyslu, chemického zpracování, elektrotechniky a elektroniky.

Hliník se ukázal jako vysoce odolný vůči korozi způsobené korozivními vodnými roztoky, odolává působení kyselin sírové a fosforečné, síranových a chloridových solí a zároveň je odolný vůči organickým kyselinám, jako je kyselina citronová. Díky těmto vlastnostem je oxid hlinitý ideálním materiálem pro výrobu plynných vodíkových paliv; dále je široce využíván v procesech výroby nadkritické vody jako vynikající materiál.

Bod tání

Teploty tání neboli teploty přechodu látek jsou nedílnou součástí výrobních aplikací, protože určují, zda se pevné látky začnou měnit z pevné na kapalnou formu. Hliník má šestou nejvyšší teplotu tání mezi kovy - 1220 F až 660 C; tato vysoká teplota tání umožňuje hliníku snášet náročné podmínky, aniž by se deformoval nebo zkřehl.

Hliník má extrémně vysokou teplotu tání díky energii potřebné k rozpadu kovalentních vazeb mezi atomy hliníku a kyslíku, což vede k jeho extrémně vysoké teplotě tání. To navíc znamená, že si zachovává svou strukturální integritu při velmi vysokých teplotách, což z něj činí vynikající žáruvzdorný materiál používaný k vyzdívání pecí a pecí.

Tavením oxidu hlinitého vzniká bílý roztavený kov s mimořádně hladkou strukturou, který je ideální pro tvarování do různých forem a odlévání do velkých desek nebo bloků pro různé účely. Proces tavení však vyžaduje rozsáhlé znalosti, protože chemické nečistoty v tavenině mohou změnit jeho vlastnosti včetně teploty tání. Proto je velmi důležité, aby byly výrobní procesy pečlivě řízeny a zároveň byla sledována kvalita taveniny, aby bylo možné identifikovat nečistoty předtím, než dojde k odlévání.

Teplotu tání oxidu hlinitého mohou ovlivnit chemické nečistoty, ale jeho teplota tání se může lišit také v závislosti na jeho složení. Mezi faktory, které ovlivňují jeho teplotu tání, patří procento oxidu hlinitého, fázová frakce g a obsah pórovitosti; přidání těchto dalších složek může výrazně zvýšit jeho teplotu tání ve srovnání s použitím pouze čistého oxidu hlinitého jako výrobního materiálu.

Kromě rozdílů v termodynamických a energetických vlastnostech závisí tepelná kapacita oxidu hlinitého také na způsobu jeho výroby. Experimenty ukázaly, že funkce tepelné kapacity vzorků vytvořených s použitím různých alkoxidů hliníku kalcinovaných při různých konečných teplotách se mohou výrazně lišit - což podtrhuje jejich složitost jako měření a zároveň zdůrazňuje důležitost dodržování přísných kalorimetrických postupů při jejich vytváření.