Aliuminio oksido formulė

Aliuminio oksidas (Al₂O₃), dar vadinamas aliumina, yra elektros izoliatorius, pasižymintis puikiu atsparumu cheminiam poveikiui ir vidutiniu tempimo bei lenkimo stiprumu; tačiau jo lenkimo atsparumas lieka žemas.

Aliuminis yra populiariausia medžiaga oksidinės keramikos gamybai dėl jos gausos, mažos kainos ir pranašesnių mechaninių savybių, palyginti su kitais oksidais.

Cheminė formulė

Aliuminio oksidas (dažniau vadinamas alumina arba alundumu) yra neorganinis cheminis junginys, kurio formulė yra Al₂O₃; jis pasižymi aukšta lydymosi temperatūra ir dideliu kietumu, baltą spalvą, netirpumas vandenyje ir amfoterines savybes – reaguoja tiek kaip rūgštis, tiek kaip šarmas – todėl jis yra viena iš populiariausių pramoninių keramikų. Alumina gamtoje randama korundo, rubinų ir safyrų pavidalu, taip pat yra pagrindinė aliuminio rūda boksite, o jos gamybos metodai apima aliuminato tirpalo cheminį dehidratavimą.

Aliuminis plačiai naudojamas aukštos temperatūros įrenginių, pavyzdžiui, krosnių, degimo krosnių ir atliekų deginimo įrenginių, vidaus apdailai dėl savo šiluminių ir elektrinių izoliacinių savybių, taip pat atsparumo korozijai, kurią sukelia gamybos procesuose naudojamos cheminės medžiagos. Aliuminis pasižymi puikiomis šiluminėmis ir elektrinėmis izoliacinėmis savybėmis bei apsaugo nuo korozijos, todėl yra idealus medžiagos pasirinkimas.

Aliuminis yra viena iš kietiausių dirbtinių medžiagų, savo kietumu prilygstanti deimantui, o atsparumu dilimui nusileidžianti tik silicio karbidui. Be to, aliuminis yra puikus izoliatorius ir pasižymi mažu plėtimosi koeficientu, užtikrinančiu efektyvų ir nuspėjamą šilumos perdavimą.

Korundas, stabiliausias aliuminio oksido polimorfas, yra viena iš stabiliausių jo formų. Jis turi trigonalinę Bravaiso gardelės struktūrą, kurioje deguonies jonai užima sluoksnius, lygiagrečius su c ašimi, o aliuminis užpildo du trečdalius oktaedrinės erdvės. Korundo deguonies jonų ir aliuminio jonų santykis yra 1:2:1.

Kristalinė aliuminio oksido milteliai yra ekonomiška medžiaga, pasižyminti mažu savituoju sunkumu ir kietumu; paprastai ji būna miltelių pavidalo, kurių dalelių dydis svyruoja nuo 0,3 iki 0,8 mm. Yra dvi kristalinės aliuminio oksido miltelių rūšys: A tipo milteliai susideda iš šešiakampių kristalų, kurių tankis yra 4,0, o B tipo milteliai – iš kubinių kristalų, kurių tankis yra 3,0; abu tipai pasižymi geru atsparumu dilimui, tačiau A tipo milteliai pjauna greičiau.

Gali būti gaminamas aliuminio oksidas, kurio grynumas siekia 94%, nors daugeliui komercinių taikymų paprastai reikalingas 85%–100% grynumo lygis. Mažesnio grynumo rūšys dažniausiai naudojamos ugniai atspariose medžiagose, o didesnio grynumo rūšys randamos cirkonio oksidu sustiprintų aliuminio oksido (ZTA) keramikoje arba monolitinėje keramikoje, pavyzdžiui, kietose ir tankiose ZTA rūšyse.

Fizinės savybės

Aliuminio oksidas (Al₂O₃), dažniausiai vadinamas aliumina, yra joninė-kovalentinė kieta medžiaga, kuri, skirtingai nei metalai ir lydiniai, nepasiduoda apkrovai. Dėl mažo elektrinio laidumo ir terminio stabilumo aliuminio oksidas yra puikus izoliatorius, pasižymintis puikiu atsparumu cheminiam poveikiui ir ypatingu kietumu (9 pagal Moso skalę). Dėl aukštos lydymosi temperatūros jo liejimas nėra įmanomas, tačiau jo stiprumas, ilgaamžiškumas ir atsparumas korozijai leidžia jį naudoti atšiauriose apdorojimo aplinkose, pavyzdžiui, krosnyse ir degimo krosnyse.

Keraminės dangos, sudarytos iš aliuminio oksido, plačiai naudojamos kaip aukštakrosnių dangos, skirtos apsaugoti metalinius purkštukus ir lances, kaip ugniai atsparios dangos plieno krosnims ir rotacinėms krosnims, taip pat kaip liejamosios ugniai atsparios plytos liejimo smėlio liejimo procesuose. Aliuminio oksidas pasižymi mažu plėtimosi koeficientu, todėl gali atlaikyti labai aukštas temperatūras nesideformuodamas ir nesuskilindamas; be to, jis atsparus rūgščių poveikiui, ką patvirtina jo sėkmingas panaudojimas kaip elektros laidų izoliacijos medžiagos atšiauriomis eksploatavimo sąlygomis, pavyzdžiui, varinių laidų naudojimo korozinėse aplinkose.

Dėl aukštos lydymosi temperatūros aliuminio oksidas yra ideali ugniai atspari medžiaga stiklo gamybai, nes daugelyje langų ir taros stiklų Al₂O₃ yra tik nežymiais kiekiais. Jei šie stiklai būtų naudojami kaip glazūra, jie išsilietų ir įtrūktų dėl to, kad jų sudėtyje trūksta pakankamo kiekio ugniai atsparių elementų.

Tačiau net ir nedidelis aliuminio oksido kiekis, pridėtas į stiklo receptūrą, leidžia jam lydytis žemesnėje temperatūroje, tuo pačiu pagerindamas tempiamąjį stiprumą, paviršiaus įtempimą, blizgesį, apdorojimo temperatūrų diapazoną, atsparumą devitrifikacijai ir tvirtumą. Be to, pridėjus vos žiupsnelį, žymiai padidėja lenkimo ir tempiamasis stiprumai bei sumažėja trapus lūžimas.

Dėl savo ugniai atsparių savybių aliuminio oksidas yra puikus pasirinkimas medicininiam aliuminio oksidui, naudojamam dantų implantams ir kitoms biomedicininėms reikmėms. Medicininė aliuminio oksido medžiaga gaminama naudojant įvairias konsolidacijos ir sukepinimo technologijas, leidžiančias sukurti tikslias, beveik galutines formas, pasižyminčias plačiu grynumo spektru. Nors jos vidutinis tempiamasis ir lenkimo stipris yra mažesnis nei reikalaujamas polikristalinės aliuminio oksido medžiagos implantams, tačiau dėl puikių mechaninių savybių ši medžiaga vis tiek yra verta dėmesio medicinos srityje.

Terminės savybės

Aliuminis išsiskiria iš kitų metalų ar lydinių dėl stiprių tarpatominių ryšių, suteikiančių jam unikalių savybių, kurių nėra kitur, įskaitant didelį stiprumą ir kietumą, puikias dielektrines savybes tiek žemoje, tiek aukštoje temperatūroje, puikų atsparumą cheminiam poveikiui ir korozijai tiek kambario, tiek aukštoje temperatūroje, pranašesnes šilumines savybes aukštoje temperatūroje, taip pat veiksmingą šilumos šalinimo sprendimą.

Alumina gali būti įvairių pavidalų, įskaitant granules, miltelius ir suspensijas, ir iš jos galima formuoti įvairiausių formų gaminius. Turėdama vidutinį tempiamąjį stiprumą ir lenkimo stiprumą, alumina skiriasi nuo daugelio polikristalinių keraminių medžiagų tuo, kad jos šilumos laidumas ir lydymosi temperatūra yra palyginti žemi – tai reiškia, kad neįmanoma liejti didelių detalių.

Alfa fazės aliuminio oksidas (Al₂O₃) yra medžiaga, dažniausiai naudojama aliuminio oksido konstrukcinėms reikmėms. Šiai polikristalinei formai būdinga, kad deguonies jonai išsidėsto pagal šešiakampę tankiąją struktūrą, užpildydami du trečdalius visų oktaedrinių tarpų. Aliuminis taip pat pasižymi metastabilumu kubinėse g ir e fazėse, monoklininėje k fazėje ir ortorombinėje d fazėje, kurios aukštoje temperatūroje galiausiai visos grįžta į stabilią šešiakampę alfa fazę.

Grynas aliuminio oksidas turi daug pramoninių pritaikymų ir paprastai tiekiamas natrio aliuminato pavidalu, kurio cheminė formulė yra NaAlO. Ši medžiaga gaunama aukštoje temperatūroje deginant boksitą, kad susidarytų natrio aliuminatas, o vėliau ji sumalama į smulkius miltelius ir sumaišoma su vandeniu, kad susidarytų suspensija, skirta tolesniam apdorojimui.

Šiuolaikinių aliuminio oksido gaminių grynumas paprastai svyruoja nuo 85% iki 100%, todėl jie tinka gaminti uždegimo žvakes ir mikroschemų pagrindus, taip pat naudoti aukštos kokybės keramikos taikymuose, pavyzdžiui, storosios plėvelės dengimui.

Grynas aliuminio oksidas kambario temperatūroje bent dviem eilėmis, o aukštoje temperatūroje – keturiomis eilėmis pranoksta porcelianinę elektros izoliaciją ir yra žymiai atsparesnis šarmų poveikiui, kuris sukelia jos susidėvėjimą.

Mechaninės savybės

Aluminio oksido mechaninės savybės apima jo stiprumą, arba atsparumą deformacijai ir įtempiams. Dėl šios savybės aliuminio oksido keramika yra labai atspari smūgiams ir išlaiko savo formą bei matmenis net esant dideliam slėgiui. Be to, aliuminio oksidas pasižymi dideliu gniuždymo stiprumu, todėl gali išlaikyti dideles apkrovas nepatirdamas pažeidimų, o jo tempimo ir lenkimo stiprumas leidžia konstrukciniams elementams ir detalėms išlikti nesugadintoms ir funkcionaliosioms.

Alumina pasižymi puikiomis mechaninėmis savybėmis, tokiomis kaip ilgaamžiškumas ir atsparumas cheminiam poveikiui, todėl ji tinka pramoniniam ir komerciniam naudojimui, įskaitant elektrines ir gamyklas. Kaip viena iš patvariausių šiuo metu rinkoje esančių inžinerinių keramikų, aliuminio oksidas gali atlaikyti ekstremalias temperatūras bei nusidėvėjimą, todėl tai yra puikus medžiagos pasirinkimas gaminant tokius produktus kaip elektros izoliatoriai, dujų lazerių vamzdžiai, sandarinimo žiedai ir laboratorinė įranga.

Dėl savo atsparumo cheminiam poveikiui aliuminio oksidas taip pat yra labai paklausi medžiaga apsauginių šarvų gamybai, todėl jis tapo vienu iš populiariausių pasirinkimų karinių transporto priemonių ir kariuomenės aprangos gamintojų tarpe. Šiuo atveju ypač naudingos yra aliuminio oksido kietumas ir biologinis inertiškumas; dėl to jis tinka klubo sąnario endoprotezų guolių, bioninių implantų, audinių stiprinimo, audinių karkasų gamybai, taip pat medicininiam naudojimui, pavyzdžiui, klubo sąnario endoprotezų guolių gamybai. Be to, dėl savo patvarumo aliuminio oksidas yra puikus pasirinkimas gaminant balistines šarvuotes.

Aluminos keramika pasižymi mažu ūmiu ir lėtiniu toksiškumu – trumpai veikiant ji sukelia tik nežymų odos dirginimą, todėl tai ideali medžiaga, skirta naudoti medicinos įrangoje ir sveikatos priežiūros srityje. Kadangi aliuminio oksido keramika nereaguoja su įvairiomis cheminėmis medžiagomis, ji vis dažniau naudojama kaip chirurginių instrumentų pakaitalas, pavyzdžiui, vietoj volframo karbido; tačiau siekiant užtikrinti optimalius medicininės aliuminio oksido keramikos tvirtumo reikalavimus, jos sukepinimo procesas pirmiausia turi atitikti griežtus reikalavimus.