Vzorec oxidu hlinitého

Oxid hlinitý (Al2O3), označovaný také jako oxid hlinitý, je elektrický izolant s vynikající chemickou odolností a střední pevností v tahu a ohybu; jeho houževnatost v ohybu však zůstává nízká.

Hliník je díky svému množství, nízké ceně a lepším mechanickým vlastnostem než ostatní oxidy nejpoužívanějším materiálem, pokud jde o oxidovou keramiku.

Chemický vzorec

Oxid hlinitý (častěji označovaný jako oxid hlinitý nebo alundum) je anorganická chemická sloučenina se vzorcem Al2O3, která se vyznačuje vysokou teplotou tání a silnou tvrdostí, bílou barvou, nerozpustností ve vodě a amfoterními vlastnostmi - reaguje jak kysele, tak zásaditě - což z něj činí jednu z nejoblíbenějších průmyslových keramik. Hliník se v přírodě vyskytuje jako korund, rubíny a safíry a také je přítomen jako jeho hlavní hliníková ruda v bauxitu, přičemž metody výroby zahrnují chemickou dehydrataci hlinitanového roztoku nebo chemickou dehydrataci hlinitanového roztoku.

Hliník je široce používán k vyzdívání vysokoteplotních zařízení, jako jsou pece, pece a spalovny, díky svým tepelným a elektroizolačním vlastnostem a odolnosti proti korozi způsobené chemikáliemi používanými při výrobních procesech. Hliník má vynikající tepelně a elektroizolační vlastnosti a také ochranu proti korozi, což z něj činí ideální materiál.

Oxid hlinitý je jedním z nejtvrdších umělých materiálů, tvrdostí konkuruje diamantu a odolností proti opotřebení se řadí na druhé místo za karbid křemíku. Kromě toho oxid hlinitý funguje jako vynikající izolant a má nízký koeficient roztažnosti, který zajišťuje efektivní a předvídatelný přenos tepla.

Korund, nejstabilnější polymorf oxidu hlinitého, je jednou z jeho nejstabilnějších forem. Má trigonální Bravaisovu mřížkovou strukturu, v níž ionty kyslíku zaujímají vrstvy rovnoběžné s osou c, zatímco hliník vyplňuje dvě třetiny oktaedrických mezer. Poměr iontů kyslíku a iontů hliníku v korundu je 1:2:1.

Krystalický oxid hlinitý je ekonomický materiál s nízkou měrnou hmotností a tvrdostí, který se obvykle vyskytuje ve formě prášku o velikosti částic mezi 0,3 a 0,8 mm. Existují dvě formy práškového krystalického oxidu hlinitého; typ A obsahuje hexagonální krystaly a má hustotu 4,0, zatímco typ B obsahuje kubické krystaly s hustotou 3,0; oba typy vykazují dobrou odolnost proti otěru, přičemž typ A řeže rychleji.

Při čistotě 94% lze vyrábět oxid hlinitý, ačkoli většina komerčních aplikací obvykle vyžaduje čistotu mezi 85%-100%. Třídy nižší čistoty se běžně používají v žáruvzdorných aplikacích, zatímco třídy vyšší čistoty lze nalézt v keramice z tvrzeného oxidu hlinitého (ZTA) nebo v monolitické keramice, jako jsou tvrdé a husté třídy ZTA.

Fyzikální vlastnosti

Oxid hlinitý (Al2O3), běžně označovaný jako oxid hlinitý, je iontově-kovalentní pevná látka, která se při zatížení nepodvoluje jako kovy a slitiny. Nízká elektrická vodivost a tepelná stabilita činí z oxidu hlinitého vynikající izolant s vynikající odolností proti chemickým vlivům a extrémní tvrdostí (9 na Mohsově stupnici). Vzhledem k jeho vysoké teplotě tání není možné jej odlévat, ale díky jeho pevnosti, trvanlivosti a odolnosti proti korozi je vhodný pro použití v náročných zpracovatelských prostředích, jako jsou pece a výhně.

Keramické vyzdívky složené z oxidu hlinitého jsou široce využívány jako vyzdívky vysokých pecí k ochraně kovových trysek a lancet, žáruvzdorné vyzdívky ocelářských pecí a rotačních pecí, jakož i jako odlévací žáruvzdorné cihly pro procesy odlévání do písku. Hliník má nízký koeficient roztažnosti, který mu umožňuje odolávat velmi vysokým teplotám, aniž by se deformoval nebo praskal; navíc je odolný vůči působení kyselin, o čemž svědčí jeho úspěch jako izolantu při aplikaci izolací elektrických vodičů v náročných elektrických aplikacích, jako jsou aplikace měděných vodičů v korozivním prostředí.

Vysoký bod tání oxidu hlinitého z něj činí ideální žáruvzdorný materiál pro výrobu skla, kde se v mnoha okenních a obalových sklech vyskytují pouze stopová množství Al2O3. Pokud by se tato skla používala jako glazury, tekla by a praskala kvůli nedostatku žáruvzdorných prvků ve složení.

Přidání i malého množství oxidu hlinitého do receptury skla však umožňuje jeho tavení při nižší teplotě a zároveň zlepšuje pevnost v tahu, povrchové napětí, lesk, délku pracovního rozsahu, odolnost proti devitrifikaci a houževnatost. Přidání pouhé špetky navíc výrazně zvyšuje pevnost v ohybu a tahu a snižuje křehké lomové chování.

Žáruvzdorné vlastnosti oxidu hlinitého z něj činí vynikajícího kandidáta pro použití jako lékařský oxid hlinitý, který se používá pro zubní implantáty a další biomedicínské aplikace. Medicínský oxid hlinitý se vyrábí různými technikami konsolidace a slinování, které umožňují získat přesné téměř síťové tvary s širokým rozsahem čistoty. Ačkoli jeho mírná pevnost v tahu/ohybu nedosahuje pevnosti požadované u polykrystalických korundových implantátů pro implantáty, díky jeho vynikajícím mechanickým vlastnostem stojí tento materiál za zvážení pro lékařské aplikace.

Tepelné vlastnosti

Hliník se od ostatních kovů a slitin odlišuje silnou meziatomovou vazbou, která mu propůjčuje jedinečné vlastnosti, které se jinde nevyskytují, včetně vysoké pevnosti a tvrdosti, vynikajících dielektrických vlastností při nízkých i zvýšených teplotách, vynikající odolnosti proti chemickému napadení a korozi při pokojových i zvýšených teplotách, vynikajících tepelných vlastností při vysokých teplotách a také jako účinné řešení pro odvod tepla.

Hliník se dodává v několika formách, včetně granulí, prášku a suspenze, a lze jej tvarovat do nejrůznějších tvarů. Hliník se vyznačuje střední pevností v tahu a pevností v ohybu a od mnoha polykrystalických keramických materiálů se liší tím, že jeho tepelná vodivost a bod tání jsou relativně nízké - což znamená, že odlévání velkých dílů je nemožné.

Alfa fáze oxidu hlinitého (Al2O3) je materiál, který se nejčastěji používá pro konstrukční aplikace oxidu hlinitého. Tato polykrystalická forma se vyznačuje hexagonálně uspořádanými ionty kyslíku, které vyplňují dvě třetiny všech oktaedrických mezer. Hliník také vykazuje metastabilitu v kubických fázích g a e, monoklinické fázi k a ortorhombické fázi d, které se nakonec při zvýšených teplotách vracejí zpět do stabilní hexagonální fáze alfa.

Čistý oxid hlinitý má mnoho průmyslových použití a obvykle se dodává ve formě hlinitanu sodného se vzorcem NaAlO. Tento materiál se vyrábí pražením bauxitu při vysokých teplotách za vzniku hlinitanu sodného a poté se rozemele na jemný prášek před smícháním s vodou, aby vznikla suspenze pro další zpracování.

Moderní výrobky z oxidu hlinitého se obvykle pohybují v rozmezí čistoty 85%-100%, takže jsou vhodné pro zapalovací svíčky a substráty pro mikročipy, jakož i pro vysoce výkonné keramické aplikace, jako je potahování tlustých vrstev.

Čistý oxid hlinitý překonává porcelánovou elektrickou izolaci nejméně o dva řády při pokojových teplotách a o čtyři řády při vysokých teplotách a je výrazně méně náchylný k alkalickým vlivům, které způsobují degradaci.

Mechanické vlastnosti

Mezi mechanické vlastnosti oxidu hlinitého patří jeho pevnost nebo odolnost vůči deformačnímu namáhání. Díky této vlastnosti je keramika z oxidu hlinitého vysoce odolná vůči nárazům a zachovává si svůj tvar a velikost i při silném tlaku. Kromě toho má oxid hlinitý vysokou pevnost v tlaku, která umožňuje přenášet velká zatížení, aniž by se poškodila, zatímco jeho pevnost v tahu a ohybu umožňuje konstrukčním součástem a dílům zůstat neporušené a funkční.

Hliník se může pochlubit vynikajícími mechanickými vlastnostmi, jako je trvanlivost a odolnost vůči chemickým vlivům, díky čemuž je vhodný pro průmyslové a komerční aplikace, včetně elektráren a továren. Jako jedna z nejodolnějších technických keramik, které jsou dnes k dispozici, odolává oxid hlinitý extrémním teplotám i opotřebení, což z něj činí vynikající materiál pro výrobu výrobků, jako jsou elektrické izolátory, plynové laserové trubice, těsnicí kroužky a laboratorní zařízení.

Odolnost oxidu hlinitého vůči útokům z něj činí také vyhledávaný materiál pro výrobu ochranných pancířů, což z něj činí jednu z nejoblíbenějších voleb mezi výrobci vojenských vozidel a personálu. Tvrdost a bioinertnost oxidu hlinitého se zde ukazují jako obzvláště užitečné; díky tomu je vhodný pro výrobu ložisek kyčelních náhrad, bionických implantátů, tkáňových výztuží, aplikací tkáňových lešení i pro lékařské použití, jako jsou ložiska kyčelních náhrad. Kromě toho je oxid hlinitý díky své odolnosti také vynikající volbou při výrobě balistických pancířů.

Keramika z oxidu hlinitého má nízkou akutní a chronickou toxicitu a při krátké expozici způsobuje pouze mírné podráždění kůže, což z ní činí ideální materiál pro použití ve zdravotnickém vybavení a zdravotnických aplikacích. Díky své nereaktivitě s různými chemickými látkami se korundová keramika stále častěji používá jako náhrada chirurgických nástrojů, jako je karbid wolframu; pro optimální požadavky na houževnatost však musí lékařský korund nejprve projít přísnou regulací během procesu spékání.