アルミナ配合

アルミナとも呼ばれる酸化アルミニウム（Al2O3）は、優れた耐薬品性と適度な引張・曲げ強度を持つ電気絶縁体であるが、曲げ靭性は依然として低い。

アルミナは、その豊富さ、低コスト、他の酸化物よりも優れた機械的特性により、酸化物セラミックスといえばアルミナを指す。

化学式

酸化アルミニウム（より一般的にはアルミナまたはアランダムと呼ばれる）は、Al2O3という式で表される無機化学化合物で、高い融点と強い硬度、白色、水に溶けない、両性（酸性とアルカリ性の両方に反応する）を特徴とし、最も人気のある工業用セラミックの1つとなっている。アルミナは、コランダム、ルビー、サファイアとして天然に産出するほか、主要なアルミニウム鉱石としてボーキサイト中に存在する。製造方法としては、アルミン酸塩水溶液の化学的脱水、またはアルミン酸塩水溶液の化学的脱水が挙げられる。

アルミナは、その熱的・電気的絶縁特性と、製造工程で使用される化学物質による腐食に対する耐性により、キルン、炉、焼却炉などの高温機器のラインとして広く使用されています。アルミナは、優れた熱的・電気的絶縁特性と腐食からの保護を提供し、理想的な材料選択となっています。

アルミナは最も硬い人工材料の一つであり、硬度ではダイヤモンドに匹敵し、耐摩耗性では炭化ケイ素に次ぐ。さらに、アルミナは優れた絶縁体として機能し、熱伝達が効率的かつ予測通りに行われるようにする低膨張係数を持っています。

コランダムはアルミナの最も安定な多形体のひとつである。酸素イオンがc軸に平行な層を占め、アルミニウムが八面体間隙の3分の2を占める三角ブラベ格子構造を持つ。コランダムの酸素イオン：アルミニウムイオンの比率は1：2：1である。

結晶アルミナは、比重と硬度が低く経済的な材料であり、一般的に粒径0.3～0.8mmの粉末として見出される。結晶アルミナ粉末には2種類あり、Aタイプは六方晶で密度4.0、Bタイプは立方晶で密度3.0である。

94%の純度でアルミナを製造することができるが、ほとんどの商業用途では通常、85%～100%の純度が求められる。低純度グレードは耐火物用途で一般的に使用され、高純度グレードはジルコニア強化アルミナ（ZTA）セラミックスや、硬質で緻密なZTAグレードなどのモノリス・セラミックスで使用される。

物理的性質

一般的にアルミナと呼ばれる酸化アルミニウム（Al2O3）は、金属や合金のように負荷がかかっても屈折しないイオン共有結合の固体です。アルミナの低い電気伝導率と熱安定性は、優れた絶縁体であり、化学的攻撃に対する優れた耐性と非常に高い硬度（モース硬度9）を持っています。融点が高いため鋳造は不可能ですが、強度、耐久性、耐食性に優れているため、キルンや炉のような過酷な加工環境での使用に適しています。

アルミナから成るセラミック・ライニングは、金属ノズルとランスを保護する高炉ライニング、スチールキルンおよびロータリーキルンの耐火物ライナー、ならびにキャスタブル耐火レンガ鋳造砂型鋳造プロセスとして広く利用されている。アルミナは膨張係数が低いため、反りやひび割れを生じることなく非常に高い温度に耐えることができます。さらに、銅線用途の腐食環境などの過酷な電気用途における電線絶縁用途の絶縁体としての成功が証明しているように、酸による腐食にも耐性があります。

アルミナは融点が高いため、ガラス製造に理想的な耐火材料であるが、多くの窓ガラスや容器ガラスには微量のAl2O3しか含まれていない。もしこれらのガラスが釉薬として使用された場合、組成中の十分な耐火性元素の不足により、ひび割れを起こしてしまうだろう。

しかし、少量でもアルミナを添加することで、引張強さ、表面張力、光沢、使用範囲の長さ、耐脱晶性、靭性を向上させながら、より低い温度での溶融が可能になる。さらに、ほんのひとつまみ加えるだけで、曲げ強さと引張強さが向上し、脆性破壊の挙動が著しく減少する。

アルミナの耐火性特性は、歯科インプラントやその他の生物医学的用途に使用される医療用アルミナとしての使用に優れた候補となる。医療用アルミナは、幅広い純度範囲で精密なニアネットシェイプを製造する様々な圧密・焼結技術を用いて製造される。中程度の引張/曲げ強度は、インプラント用途の多結晶アルミナインプラントに要求される強度を下回るが、優れた機械的性能により、この材料は依然として医療用途を検討する価値がある。

熱特性

アルミナは、その強力な原子間結合によって他の金属や合金とは一線を画し、高い強度と硬度、低温と高温の両方における優れた誘電特性、室温と高温の両方における化学的攻撃と腐食に対する優れた耐性、高温における優れた熱特性、さらには効率的なヒートシンク・ソリューションの提供など、他では見られない独自の特性を備えています。

アルミナには、粒状、粉末状、スラリー状などの形状があり、あらゆる形状に成形することができます。適度な引張強さと曲げ強さを持つアルミナは、熱伝導率と融点が比較的低いという点で、多くの多結晶セラミック材料とは異なります。

α相アルミナ（Al2O3）は、アルミナの構造用途に最も多く採用されている材料である。この多結晶体は、酸素イオンが六方最密充填に組織され、八面体間隙の3分の2を満たしているのが特徴である。アルミナはまた、立方晶g相およびe相、単斜晶k相、斜方晶d相の準安定性を示すが、これらはすべて、最終的には高温で安定した六方晶α相に戻る。

純粋なアルミナは多くの工業用途があり、通常、式 NaAlOで表されるアルミン酸ナトリウムの形で供給される。この材料は、ボーキサイトを高温で焙煎してアルミン酸ナトリウムを生成し、さらに処理するために水と混合してスラリーを生成する前に微粉砕することによって製造される。

最新のアルミナ製品は通常、85%-100%の純度レベルにあり、スパークプラグやマイクロチップ基板、厚膜コーティングのような高性能セラミック用途に適している。

純粋なアルミナは、磁器の電気絶縁よりも室温で少なくとも2桁、高温で4桁も優れており、劣化の原因となるアルカリ攻撃にも著しく弱い。

機械的特性

アルミナの機械的特性には、その強度、すなわちひずみ-応力耐性が含まれる。この特性により、アルミナセラミックスは衝撃に非常に強く、強い圧力下でも形状や大きさを保つことができる。さらに、アルミナは、損傷することなく重い荷重を支えるための高い圧縮強度を有し、その引張強度と曲げ強度は、構造部品やコンポーネントが無傷のまま機能することを可能にする。

アルミナは、耐久性や耐薬品性などの優れた機械的特性を誇り、発電所や工場などの産業および商業用途に適しています。現在利用可能な最も耐久性のあるエンジニアリング・セラミックスの1つとして、アルミナは極端な温度や磨耗に耐えることができ、電気絶縁体、ガスレーザー管、シールリング、実験装置などの製品を製造するための優れた材料選択となっています。

また、アルミナの攻撃に対する耐性は、防護鎧の製造に求められる材料にもなっており、軍用車両や人員の製造業者の間で、アルミナは有力な選択肢の一つとなっている。アルミナの硬度と生体不活性は、股関節置換ベアリング、バイオニックインプラント、組織補強、組織足場アプリケーション、および股関節置換ベアリングのような医療用アプリケーションの作成に適しています。さらに、その耐久性により、アルミナは防弾装甲を製造する際にも優れた選択肢となる。

アルミナセラミックスは急性および慢性毒性が低く、短時間の曝露で軽度の皮膚刺激しか生じないため、医療機器やヘルスケア用途に理想的な材料です。様々な化学物質と反応しないことから、アルミナ・セラミックスは、炭化タングステンのような外科器具の代替品としてますます一般的になっています。しかし、医療用アルミナに求められる最適な靭性を得るためには、まず焼結過程で厳しい規制を受ける必要があります。