Tonerde Formel

Aluminiumoxid (Al2O3), auch Tonerde genannt, ist ein elektrischer Isolator mit ausgezeichneter chemischer Beständigkeit und mäßiger Zug- und Biegefestigkeit; seine Biegezähigkeit ist jedoch gering.

Tonerde ist das bevorzugte Material, wenn es um Oxidkeramik geht, denn es ist reichlich vorhanden, kostengünstig und hat bessere mechanische Eigenschaften als andere Oxide.

Chemische Formel

Aluminiumoxid (allgemeiner als Tonerde oder Alundum bezeichnet) ist eine anorganische chemische Verbindung mit der Formel Al2O3, die sich durch einen hohen Schmelzpunkt und eine starke Härte, eine weiße Farbe, Unlöslichkeit in Wasser und amphotere Eigenschaften - es reagiert sowohl sauer als auch alkalisch - auszeichnet, was es zu einer der beliebtesten Industriekeramiken macht. Tonerde kommt in der Natur in Form von Korund, Rubinen und Saphiren sowie als Hauptaluminiumerz in Bauxit vor. Zu den Herstellungsverfahren gehören die chemische Entwässerung einer Aluminatlösung oder die chemische Entwässerung einer Aluminatlösung.

Aluminiumoxid wird aufgrund seiner thermischen und elektrischen Isolationseigenschaften sowie seiner Beständigkeit gegen Korrosion, die durch die bei der Herstellung verwendeten Chemikalien verursacht wird, häufig zur Auskleidung von Hochtemperaturgeräten wie Brennöfen, Öfen und Verbrennungsanlagen verwendet. Tonerde bietet hervorragende thermische und elektrische Isolationseigenschaften sowie Schutz vor Korrosion und ist damit das ideale Material der Wahl.

Aluminiumoxid ist eines der härtesten technischen Materialien, das in seiner Härte mit Diamant konkurriert und in seiner Verschleißfestigkeit nur von Siliziumkarbid übertroffen wird. Außerdem wirkt Aluminiumoxid als hervorragender Isolator und hat einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, der eine effiziente und vorhersehbare Wärmeübertragung gewährleistet.

Korund, das stabilste Polymorph der Tonerde, ist eine ihrer stabilsten Formen. Es besitzt eine trigonale Bravais-Gitterstruktur, in der Sauerstoffionen Schichten parallel zur c-Achse besetzen, während Aluminium zwei Drittel der oktaedrischen Zwischenräume ausfüllt. Das Verhältnis von Sauerstoff- zu Aluminiumionen beträgt bei Korund 1:2:1.

Kristalline Tonerde ist ein wirtschaftlicher Werkstoff mit niedrigem spezifischem Gewicht und geringer Härte, der in der Regel als Pulver mit einer Korngröße zwischen 0,3 und 0,8 mm vorliegt. Es gibt zwei Formen von kristallinem Aluminiumoxidpulver; Typ A enthält hexagonale Kristalle und hat eine Dichte von 4,0, während Typ B kubische Kristalle mit einer Dichte von 3,0 aufweist; beide weisen eine gute Abriebfestigkeit auf, wobei Typ A schneller schneidet.

Mit einem Reinheitsgrad von 94% kann Aluminiumoxid hergestellt werden, obwohl die meisten kommerziellen Anwendungen in der Regel einen Reinheitsgrad zwischen 85% und 100% erfordern. Qualitäten mit geringerem Reinheitsgrad werden in der Regel für feuerfeste Anwendungen verwendet, während Qualitäten mit höherem Reinheitsgrad in Zirkoniumdioxid-Zähkorund-Keramik (ZTA) oder monolithischer Keramik wie harten und dichten ZTA-Qualitäten zu finden sind.

Physikalische Eigenschaften

Aluminiumoxid (Al2O3), gemeinhin als Tonerde bezeichnet, ist ein ionisch-kovalenter Feststoff, der unter Belastung nicht nachgibt wie Metalle und Legierungen. Seine geringe elektrische Leitfähigkeit und thermische Stabilität machen Aluminiumoxid zu einem ausgezeichneten Isolator mit hervorragender Beständigkeit gegen chemische Angriffe und extremer Härte (9 auf der Mohs-Skala). Aufgrund seines hohen Schmelzpunkts kann es nicht gegossen werden, aber seine Festigkeit, Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit machen es für den Einsatz in rauen Verarbeitungsumgebungen wie Öfen und Schmelzöfen geeignet.

Keramische Auskleidungen aus Aluminiumoxid werden häufig als Hochofenauskleidungen zum Schutz von Metalldüsen und -lanzen, als feuerfeste Auskleidungen für Stahl- und Drehrohröfen sowie als gießbare feuerfeste Steine für Sandgussverfahren verwendet. Aluminiumoxid hat einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, so dass es sehr hohen Temperaturen standhalten kann, ohne sich zu verformen oder Risse zu bekommen; außerdem ist es säurebeständig, wie sein Erfolg als Isoliermaterial für elektrische Leitungen in rauen elektrischen Anwendungen wie Kupferdrahtanwendungen in korrosiven Umgebungen beweist.

Der hohe Schmelzpunkt von Aluminiumoxid macht es zu einem idealen feuerfesten Material für die Glasherstellung, wo viele Fenster- und Behältergläser nur Spuren von Al2O3 enthalten. Würden diese Gläser als Glasuren verwendet, würden sie aufgrund des Mangels an feuerfesten Elementen in ihrer Zusammensetzung verlaufen und brechen.

Die Zugabe einer geringen Menge Aluminiumoxid zu einer Glasrezeptur ermöglicht es jedoch, das Glas bei einer niedrigeren Temperatur zu schmelzen und gleichzeitig die Zugfestigkeit, die Oberflächenspannung, den Glanz, die Dauer des Arbeitsbereichs, die Entglasungsbeständigkeit und die Zähigkeit zu verbessern. Darüber hinaus erhöht die Zugabe von nur einer Prise die Biege- und Zugfestigkeit und verringert das Sprödbruchverhalten erheblich.

Die feuerfesten Eigenschaften von Aluminiumoxid machen es zu einem hervorragenden Kandidaten für die Verwendung als medizinisches Aluminiumoxid, das für Zahnimplantate und andere biomedizinische Anwendungen eingesetzt wird. Für die Herstellung von medizinischem Aluminiumoxid werden verschiedene Verfestigungs- und Sintertechniken eingesetzt, die präzise, nahezu netzartige Formen mit großen Reinheitsgraden ergeben. Seine mäßige Zug-/Biegefestigkeit liegt zwar unter der von polykristallinen Aluminiumoxidimplantaten für Implantatanwendungen geforderten Festigkeit, aber aufgrund seiner überlegenen mechanischen Leistung ist dieses Material für medizinische Anwendungen dennoch eine Überlegung wert.

Thermische Eigenschaften

Aluminiumoxid unterscheidet sich von anderen Metallen oder Legierungen durch seine starke interatomare Bindung, die ihm einzigartige Eigenschaften verleiht, die man sonst nirgendwo findet. Dazu gehören eine hohe Festigkeit und Härte, hervorragende dielektrische Eigenschaften sowohl bei niedrigen als auch bei erhöhten Temperaturen, eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen chemische Angriffe und Korrosion sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen, hervorragende thermische Eigenschaften bei hohen Temperaturen sowie eine effiziente Kühlkörperlösung.

Aluminiumoxid ist in verschiedenen Formen erhältlich, darunter Granulat, Pulver und Schlämme, und kann in eine Vielzahl von Formen gebracht werden. Aluminiumoxid weist eine mäßige Zug- und Biegefestigkeit auf und unterscheidet sich von vielen polykristallinen keramischen Werkstoffen dadurch, dass seine Wärmeleitfähigkeit und sein Schmelzpunkt relativ niedrig sind, was das Gießen großer Teile unmöglich macht.

Aluminiumoxid in der Alpha-Phase (Al2O3) ist das am häufigsten verwendete Material für strukturelle Anwendungen von Aluminiumoxid. In dieser polykristallinen Form sind die Sauerstoffionen hexagonal dicht gepackt angeordnet und füllen zwei Drittel aller oktaedrischen Zwischenräume aus. Aluminiumoxid weist auch Metastabilitäten in kubischen g- und e-Phasen, monoklinen k-Phasen und orthorhombischen d-Phasen auf, die bei höheren Temperaturen schließlich alle wieder in die stabile hexagonale Alpha-Phase zurückkehren.

Reines Aluminiumoxid hat viele industrielle Verwendungszwecke und wird in der Regel in Form von Natriumaluminat mit der Formel NaAlO geliefert. Dieses Material wird durch Rösten von Bauxit bei hohen Temperaturen hergestellt, um Natriumaluminat zu erzeugen, und dann zu feinem Pulver gemahlen, bevor es mit Wasser gemischt wird, um eine Aufschlämmung für die weitere Verarbeitung zu erzeugen.

Moderne Aluminiumoxidprodukte weisen in der Regel einen Reinheitsgrad von 85%-100% auf und eignen sich daher für Zündkerzen und Mikrochipsubstrate sowie für keramische Hochleistungsanwendungen wie Dickschichtbeschichtungen.

Reines Aluminiumoxid übertrifft die elektrische Isolierung aus Porzellan bei Raumtemperaturen um mindestens zwei Größenordnungen und bei hohen Temperaturen um vier Größenordnungen und ist deutlich weniger anfällig für Alkaliangriffe, die eine Zersetzung verursachen.

Mechanische Eigenschaften

Zu den mechanischen Eigenschaften von Aluminiumoxid gehört seine Festigkeit, d. h. seine Toleranz gegenüber Dehnungsspannungen. Dank dieser Eigenschaft sind Aluminiumoxidkeramiken äußerst stoßfest und behalten ihre Form und Größe auch unter starkem Druck bei. Darüber hinaus verfügt Aluminiumoxid über eine hohe Druckfestigkeit, so dass es schwere Lasten tragen kann, ohne beschädigt zu werden, während seine Zug- und Biegefestigkeit dafür sorgt, dass strukturelle Komponenten und Teile intakt und funktionsfähig bleiben.

Aluminiumoxid zeichnet sich durch hervorragende mechanische Eigenschaften wie Langlebigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen chemische Angriffe aus und eignet sich daher für industrielle und gewerbliche Anwendungen, z. B. in Kraftwerken und Fabriken. Als eine der haltbarsten Ingenieurkeramiken, die heute erhältlich sind, kann Aluminiumoxid extremen Temperaturen sowie Verschleiß widerstehen und ist daher eine ausgezeichnete Materialwahl für die Herstellung von Produkten wie elektrischen Isolatoren, Gaslaserrohren, Dichtungsringen und Laborgeräten.

Die Widerstandsfähigkeit von Aluminiumoxid macht es auch zu einem begehrten Material für die Herstellung von Schutzpanzern, was es zu einer der ersten Wahl bei Herstellern von Militärfahrzeugen und -personal macht. Die Härte und Bioinertheit von Aluminiumoxid erweisen sich hier als besonders nützlich, da es sich für die Herstellung von Hüftgelenksersatzlagern, bionischen Implantaten, Gewebeverstärkungen, Gewebegerüsten und medizinischen Anwendungen wie Hüftgelenksersatzlagern eignet. Darüber hinaus ist Aluminiumoxid aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit auch eine ausgezeichnete Wahl für die Herstellung ballistischer Panzerungen.

Tonerdekeramik weist eine geringe akute und chronische Toxizität auf und verursacht bei kurzer Expositionszeit nur geringe Hautreizungen, was sie zu einem idealen Material für den Einsatz in medizinischen Geräten und im Gesundheitswesen macht. Aufgrund ihrer Nichtreaktivität gegenüber verschiedenen Chemikalien werden Aluminiumoxidkeramiken zunehmend als Ersatz für chirurgische Instrumente wie Wolframkarbid verwendet. Um jedoch optimale Anforderungen an die Zähigkeit von medizinischem Aluminiumoxid zu erfüllen, muss es zunächst während des Sinterprozesses strengen Vorschriften unterliegen.