Fórmula de la alúmina

El óxido de aluminio (Al2O3), también denominado alúmina, es un aislante eléctrico con una excelente resistencia química y moderadas resistencias a la tracción y a la flexión; sin embargo, su tenacidad a la flexión sigue siendo baja.

La alúmina es el material por excelencia de los óxidos cerámicos por su abundancia, bajo coste y propiedades mecánicas superiores a las de otros óxidos.

Fórmula química

El óxido de aluminio (más comúnmente conocido como alúmina o alundum) es un compuesto químico inorgánico de fórmula Al2O3 que se caracteriza por su alto punto de fusión y su gran dureza, su color blanco, su insolubilidad en agua y sus propiedades anfóteras -reacciona tanto ácida como alcalinamente-, lo que lo convierte en una de las cerámicas industriales más populares. La alúmina se encuentra en la naturaleza en forma de corindón, rubíes y zafiros, además de estar presente como su principal mineral de aluminio en la bauxita, mientras que los métodos de producción incluyen la deshidratación química de una solución de aluminato o la deshidratación química de una solución de aluminato.

La alúmina se utiliza ampliamente para revestir aparatos de alta temperatura, como hornos e incineradores, debido a sus propiedades de aislamiento térmico y eléctrico, así como a su resistencia a la corrosión causada por los productos químicos utilizados durante los procesos de fabricación. La alúmina ofrece excelentes propiedades de aislamiento térmico y eléctrico, así como protección contra la corrosión, lo que la convierte en el material ideal.

La alúmina es uno de los materiales de ingeniería más duros, rivaliza con el diamante en dureza y sólo es superado por el carburo de silicio en resistencia al desgaste. Además, la alúmina actúa como un excelente aislante y tiene un bajo coeficiente de dilatación que garantiza que la transferencia de calor se produzca de forma eficiente y predecible.

El corindón, el polimorfo más estable de la alúmina, es una de sus formas más estables. Posee una estructura reticular trigonal Bravais en la que los iones de oxígeno ocupan capas paralelas a su eje c, mientras que el aluminio llena dos tercios de los intersticios octaédricos. La proporción de iones de oxígeno e iones de aluminio en el corindón es de 1:2:1.

La alúmina cristalina es un material económico de bajo peso específico y dureza, que suele presentarse en forma de polvo con un tamaño de partícula de entre 0,3 y 0,8 mm. Hay dos formas de polvo de alúmina cristalina; el tipo A contiene cristales hexagonales y tiene una densidad de 4,0, mientras que el tipo B presenta cristales cúbicos con una densidad de 3,0; ambos presentan una buena resistencia a la abrasión, siendo el tipo A el que corta más rápido.

Se puede producir alúmina con una pureza de 94%, aunque la mayoría de las aplicaciones comerciales suelen requerir purezas de entre 85%-100%. Los grados de pureza más bajos se utilizan normalmente en aplicaciones refractarias, mientras que los grados de pureza más altos pueden encontrarse en cerámicas de alúmina endurecida con circonio (ZTA) o cerámicas monolíticas como los grados ZTA duros y densos.

Propiedades físicas

El óxido de aluminio (Al2O3), comúnmente denominado alúmina, es un sólido iónico-covalente que no cede bajo carga como lo hacen los metales y las aleaciones. La baja conductividad eléctrica y la estabilidad térmica de la alúmina la convierten en un excelente aislante, con una excelente resistencia a los ataques químicos y una dureza extrema (9 en la escala de Mohs). Debido a su elevado punto de fusión, no es posible fundirla, pero su solidez, durabilidad y resistencia a la corrosión la hacen adecuada para su uso en entornos de procesamiento difíciles, como hornos y calderas.

Los revestimientos cerámicos compuestos de alúmina se utilizan ampliamente como revestimientos de altos hornos para proteger boquillas y lanzas metálicas, revestimientos refractarios para hornos siderúrgicos y hornos rotatorios, así como para procesos de fundición en arena de ladrillos refractarios moldeables. La alúmina tiene un bajo coeficiente de dilatación que le permite soportar temperaturas muy elevadas sin alabearse ni agrietarse; además, es resistente al ataque de los ácidos, como demuestra su éxito como aislante de aplicaciones de cables eléctricos en entornos corrosivos.

El alto punto de fusión de la alúmina la convierte en un material refractario ideal para la fabricación de vidrio, donde sólo existen trazas de Al2O3 en muchos vidrios para ventanas y contenedores. Si estos vidrios se utilizaran como esmaltes, se correrían y agrietarían por falta de suficientes elementos refractarios en su composición.

Sin embargo, añadir incluso una pequeña cantidad de alúmina a una receta de vidrio permite fundirlo a una temperatura más baja, mejorando al mismo tiempo la resistencia a la tracción, la tensión superficial, el brillo, la resistencia a la desvitrificación y la tenacidad. Además, añadir sólo una pizca aumenta la resistencia a la flexión y a la tracción y reduce significativamente el comportamiento de fractura frágil.

Las propiedades refractarias de la alúmina la convierten en una excelente candidata para su uso como alúmina médica, empleada en implantes dentales y otras aplicaciones biomédicas. La alúmina médica se fabrica mediante diversas técnicas de consolidación y sinterización que producen formas precisas casi netas con amplios rangos de pureza. Aunque su moderada resistencia a la tracción y a la flexión es inferior a la exigida a los implantes de alúmina policristalina para aplicaciones implantológicas, sus superiores prestaciones mecánicas hacen que este material merezca la pena para aplicaciones médicas.

Propiedades térmicas

La alúmina se distingue de otros metales o aleaciones por su fuerte enlace interatómico, que le confiere unas propiedades únicas que no se dan en ningún otro lugar, como una gran resistencia y dureza, excelentes propiedades dieléctricas tanto a bajas como a elevadas temperaturas, excelente resistencia al ataque químico y a la corrosión tanto a temperatura ambiente como a elevadas temperaturas, propiedades térmicas superiores a altas temperaturas, además de proporcionar una solución eficaz como disipador térmico.

La alúmina se presenta en varias formas: granular, en polvo y en lodos, y puede moldearse en cualquier variedad de formas. Con una resistencia moderada a la tracción y a la flexión, la alúmina se diferencia de muchos materiales cerámicos policristalinos en que su conductividad térmica y su punto de fusión son relativamente bajos, lo que imposibilita la fundición de piezas grandes.

La alúmina de fase alfa (Al2O3) es el material más empleado para aplicaciones estructurales de la alúmina. Esta forma policristalina presenta iones de oxígeno organizados hexagonalmente en paquetes cerrados, llenando dos tercios de todos los intersticios octaédricos. La alúmina también presenta metaestabilidad en las fases cúbica g y e, monoclínica k y ortorrómbica d, que acaban volviendo a la fase alfa hexagonal estable a temperaturas elevadas.

La alúmina pura tiene muchos usos industriales y suele suministrarse en forma de aluminato de sodio, cuya fórmula es NaAlO. Este material se obtiene tostando la bauxita a altas temperaturas para producir aluminato de sodio, y después se muele en polvo fino antes de mezclarlo con agua para producir una pasta para su posterior procesamiento.

Los productos de alúmina modernos suelen tener niveles de pureza de entre 85%-100%, lo que los hace adecuados para bujías y sustratos de microchips, así como para aplicaciones cerámicas de alto rendimiento, como el recubrimiento de películas gruesas.

La alúmina pura supera al aislamiento eléctrico de porcelana en al menos dos órdenes de magnitud a temperatura ambiente y cuatro órdenes a altas temperaturas, y es significativamente menos vulnerable a los ataques alcalinos que provocan su degradación.

Propiedades mecánicas

Entre las propiedades mecánicas de la alúmina destaca su resistencia, o tolerancia a la tensión. Esta propiedad hace que las cerámicas de alúmina sean muy resistentes a los golpes, manteniendo su forma y tamaño incluso bajo una presión intensa. Además, la alúmina tiene una gran resistencia a la compresión, lo que le permite soportar cargas pesadas sin dañarse, mientras que su resistencia a la tracción y a la flexión permite que los componentes y piezas estructurales permanezcan intactos y funcionales.

La alúmina posee excelentes propiedades mecánicas, como su durabilidad y resistencia a los ataques químicos, lo que la hace adecuada para aplicaciones industriales y comerciales, como centrales eléctricas y fábricas. La alúmina, una de las cerámicas de ingeniería más duraderas que existen en la actualidad, resiste temperaturas extremas y el desgaste, por lo que es un material excelente para fabricar productos como aislantes eléctricos, tubos de láser de gas, juntas de estanqueidad y equipos de laboratorio.

La resistencia de la alúmina a los ataques también la convierte en un material muy solicitado para fabricar blindajes de protección, por lo que es una de las opciones preferidas por los fabricantes de vehículos y personal militar. La dureza y la bioinercia de la alúmina resultan especialmente útiles en este ámbito, ya que la hacen adecuada para crear cojinetes de prótesis de cadera, implantes biónicos, refuerzo de tejidos, aplicaciones de andamiaje de tejidos y aplicaciones de uso médico como los cojinetes de prótesis de cadera. Además, su durabilidad también hace de la alúmina una opción excelente para fabricar blindajes balísticos.

La cerámica de alúmina presenta una baja toxicidad aguda y crónica, y sólo produce irritaciones cutáneas leves en tiempos de exposición cortos, lo que la convierte en un material ideal para su uso en equipos médicos y aplicaciones sanitarias. Su nula reactividad con diversas sustancias químicas hace que la cerámica de alúmina sea cada vez más común como sustituto de instrumentos quirúrgicos como el carburo de tungsteno; pero para que la alúmina médica cumpla los requisitos óptimos de tenacidad debe someterse primero a una estricta regulación durante su proceso de sinterización.