Alumiiniumoksiidi erisoojusvõimsus

Alumiiniumoksiidkeraamika on üks kõige laialdasemalt kasutatavatest materjalidest, kuna see pakub suurepäraseid tulemusi atraktiivse hinnaga. Alumiiniumoksiidil on silmapaistev erisoojusvõimsus ja seda on eri kvaliteediklassides.

Käesolevas töös uuritakse alumiiniumoksiidi nanoosakeste (NP) mõju sulasoolapõhiste nanofluidide üksikute hüdrofoobsuskoefitsientide (SHC) suhtes. Eksperimentaalsed andmed näitasid, et SHC-d vähenevad nii NPde suuruse kui ka kontsentratsiooni vähenemisega; lisaks on esitatud ka teoreetilised prognoosid, mis toetavad neid eksperimentaalseid tulemusi.

Termodünaamilised omadused

Alumiiniumoksiid on üks kõige laialdasemalt kasutatav tehnokeraamika, mis on tuntud oma suurepäraste soojus-, korrosiooni- ja kulumiskindlate omaduste poolest. Peeneteraline tehniline alumiiniumoksiid pakub suuremat mehaanilist tugevust ja survetugevust kui mis tahes muu oksiidkeraamika; lisaks sellele on sellel madal dielektriline konstant ja keemiline inertsus, mis teeb selle sobivaks karmides keskkondades.

Selle termodünaamilised omadused on endiselt halvasti mõistetavad; näiteks selle kõrge erisoojus raskendab selle kiiret jahutamist. Seetõttu on alumiiniumoksiidi termodünaamiliste omaduste mõistmine erinevates rakendustes väga oluline; üks võimalus selleks on mõõta standardseisundi entroopiat ja Gibbsi vaba energiat, nagu on näidatud allpool.

Alumiiniumoksiidi termodünaamilisi andmeid saab kasutada selle aurustumise entalpia ja kristalliseerumise entroopia arvutamiseks, mis annab hindamatut teavet materjali vajavate protsesside kavandamisel või erinevate toodete jõudluse võrdlemisel. Alumiiniumoksiidi proovide aurustumise entalpia sõltub nende temperatuurist, rõhust ja tihedusest - seda saab määrata selle aururõhu ja entalpia temperatuurist sõltuvusest, mis on saadud Poissoni võrrandi lahendamise teel silindriliste mahtude puhul sarnase geomeetriaga proovide puhul, nagu siin leitud.

Seda valemit saab kasutada tahkete proovide aurustumisentalpiate arvutamiseks temperatuuri ja rõhu andmete põhjal, kuigi on oluline meeles pidada, et suure pindalaga proovide puhul võib aurustumisentalpia olla suurem kui nende mahu ekvivalentide puhul.

Aurustumisentalpia arvutamiseks on vaja võtta arvesse temperatuuri, kuna selle väärtus sõltub temperatuurikõikumistest; kuna selle väärtus suureneb proovi temperatuuri suurenemisel. Seetõttu on väga oluline, et nii erisoojuse kui ka entalpia mõõtmised toimuksid sarnastel temperatuuridel.

Alumiiniumoksiidi termodünaamilisi andmeid võib saada kas adiabatilise kalorimeetriga või tilkade tilgutamisega Bunseni jääkalorimeetrisse ja selle standardse oleku entroopia mõõtmisega, kasutades ükskõik millist tehnikat. Nagu on näidatud joonisel 4, suureneb selle standardse oleku entroopia temperatuuri tõusuga, saavutades kõrgeima väärtuse 14 K juures.

Soojusjuhtivus

Soojusjuhtivus mõõdab, kui kergesti liigub soojus läbi materjalide. Selle omaduse määravad molekulide vahelised vastastikmõjud materjalis ja nende liikumine selles, selle struktuur ja paigutus, mis mõjutavad soojusjuhtivust, samuti kasutatavad mõõtmismeetodid. Alumiiniumoksiidi soojusjuhtivus on tehnokeraamika hulgas üks kõrgemaid, mistõttu on see suurepärane kandidaat kasutamiseks abrasiiv- ja tulekindlate materjalide rakendustes.

Alumiiniumoksiidi soojusjuhtivus on määratud selle molekulaarse paigutuse ja selle tee pikkusega, mida soojus peab läbima, mis omakorda sõltub temperatuurist. Madalamad temperatuurid põhjustavad tavaliselt suuremat elektrijuhtivust, samas kui selle struktuuri saab manipuleerimise teel muuta; näiteks võivad alumiiniumoksiidi lisandid mõjutada selle elektrijuhtivust, kuna need põhjustavad väiksemaid väärtusi kui puhtad vormid.

Alumiiniumoksiidi soojusomadustes mängib rolli ka suurus; väiksematel graanulitel on väiksem soojusjuhtivus kui nende suurematel kolleegidel, kuna neil on rohkem pindala, mis suhtleb üksteisega ja vahetab energiat ümbritsevaga. Suuremad graanulid kipuvad aga jääma isoleerituks ja ei vaheta omavahel kergesti energiat.

Soojusjuhtivust võivad mõjutada nii aatomi ja molekuli vastastikmõju kui ka materjali tihedus. Metallisulamil on madalam soojusjuhtivus tänu aatomite vibratsioonile selle tahkis, mis vähendab vabade elektronide keskmist vaba teed, mistõttu nad kaotavad soojusenergiat tõhusamalt kui puhtast metallist vaste.

Alumiiniumoksiidi erisoojusvõimsus - ehk kui palju energiat on vaja, et temperatuur teataval määral tõuseks - mõjutab selle soojusjuhtivust, sest suurem erisoojuse väärtus tähendab, et temperatuuri tõusuks on vaja rohkem energiat.

Alumiiniumoksiidi erisoojusvõimsus võib märkimisväärselt erineda sõltuvalt kaltsineerimistemperatuurist ja materjali veesisaldusest, kusjuures korundi (a-Al2O3) erisoojusvõimsus on kõigi vormide seas kõige suurem. G-Al2O3-faasidel on tavaliselt madalam erisoojusvõimsus võrreldes oma vastavate faasidega, mis kajastub nende madalamas soojusjuhtivuses.

Korrosioonikindlus

Alumiiniumoksiid on vastupidav tehniline keraamiline materjal, millel on suurepärased korrosioonikindlus, termiline stabiilsus ja temperatuurikindlus. Lisaks sellele on alumiiniumoksiid saadaval erinevates kujudes, suurustes ja kvaliteediklassides, mis vastavad konkreetsetele rakendusvajadustele.

Vask või muud metallid võivad aidata parandada alumiiniumoksiidi korrosioonikindlust, lisades neid selle maatriksisse, aidates vähendada kristallstruktuuri ja soodustades rohkemate kaitsvate kihtide moodustumist. Korrosioonikindluse täiendavaks parandamiseks võib lisada ka nioobiumi, titaani ja vanaadiumi.

Teine võimalus alumiiniumoksiidi korrosioonikindluse suurendamiseks on selle lisamine teistesse sulamitesse. Kui alumiiniumoksiidi moodustavaid austeniitseid roostevabasid teraseid (AFA SS) kombineeritakse teiste elementidega, näiteks nikli või titaaniga, on neil kõrgemad temperatuuritaluvused kui nende soololekus [1]. Näiteks suudavad nad taluda temperatuuri üle 750 °C, ilma et see mõjutaks roomavõitluse kestvust [1].

Nioobium võib oluliselt suurendada alumiiniumoksiidi korrosioonikindlust agressiivses keskkonnas. Alumiiniumoksiidi maatriksi lisamisel moodustab see nioobiumkarbiidi (NbC), mis on vastupidav kõrgetele temperatuuridele. Lisaks aitab nioobiumi lisamine stabiliseerida alumiiniumoksiidi mikrostruktuuri ja vältida kahjustusi paagutamise käigus.

Seda meetodit saab kasutada soovitavate omadustega alumiiniumoksiidipõhiste sulamite tootmiseks mitmesuguste rakenduste jaoks, sealhulgas autotööstuses, keemiatöötluses, elektrotehnikas ja elektroonikas.

Alumiiniumoksiid on osutunud väga vastupidavaks korrosioonile, mida põhjustavad söövitavad vesilahused, taludes väävel- ja fosforhappe, samuti sulfaat- ja kloriidsoolade rünnakuid, olles samas vastupidav orgaanilistele hapetele, nagu sidrunhape. Nende omaduste tõttu on alumiiniumoksiid ideaalne materjal gaasilise vesinikukütuse tootmiseks; lisaks kasutatakse seda laialdaselt ülekriitilise vee tootmise protsessides suurepärase materjalivalikuna.

Sulamistemperatuur

Aine sulamistemperatuurid ehk üleminekutemperatuurid on tootmisrakenduste lahutamatu tegur, sest need määravad, kas tahke aine hakkab muutuma tahkest ainest vedelaks. Alumiiniumil on metallide seas kuues kõrgeim sulamistemperatuur, mis on 1220 F kuni 660 C; see kõrge sulamistemperatuur võimaldab alumiiniumil taluda karmid tingimused, ilma et see deformeeruks või muutuks hapraks.

Alumiiniumoksiidi sulamistemperatuur on äärmiselt kõrge, kuna alumiiniumi ja hapniku aatomite vaheliste kovalentsete sidemete lõhkumiseks on vaja energiat, mis viib selle äärmiselt kõrge sulamistemperatuurini. Lisaks tähendab see, et alumiinium säilitab oma struktuurilise terviklikkuse väga kõrgetel temperatuuridel, mis teeb sellest suurepärase tulekindla materjali, mida kasutatakse ahjude ja põletusahjude vooderdamiseks.

Alumiiniumoksiidi sulatamisel saadakse valge, väga sileda tekstuuriga sulatatud metall, mis sobib ideaalselt erinevate vormide vormimiseks ja valamiseks suurteks lehtedeks või plokkideks erinevate kasutusviiside jaoks. Selle sulatamisprotsess nõuab siiski põhjalikke teadmisi, kuna keemilised lisandid sulas võivad muuta selle omadusi, sealhulgas sulamistemperatuuri. Seetõttu on väga oluline, et tootmisprotsesse juhitaks hoolikalt, jälgides samal ajal sulami kvaliteeti, et tuvastada lisandid enne valamist.

Keemilised lisandid võivad mõjutada alumiiniumoksiidi sulamistemperatuuri, kuid selle sulamistemperatuur võib varieeruda ka koostise tõttu. Selle sulamistemperatuuri mõjutavate tegurite hulka kuuluvad alumiiniumoksiidi protsent, g-faasiosa ja poorsuse sisaldus; nende lisakomponentide lisamine võib oluliselt tõsta selle sulamistemperatuuri, kui võrrelda seda ainult puhta alumiiniumoksiidi kasutamisega valmistamiseks.

Lisaks termodünaamiliste ja energeetiliste omaduste erinevustele sõltub alumiiniumoksiidi soojusmahtuvus ka sellest, kuidas seda toodetakse. Katsed on näidanud, et erinevate lõpptemperatuuridel kaltsineeritud alumiiniumalkosiidide abil valmistatud proovide soojusmahtuvusfunktsioonid võivad oluliselt erineda, mis rõhutab nende keerukust mõõtmistena ning rõhutab rangete kalorimeetriliste tavade kasutamise tähtsust selle valmistamisel.