Aliuminio oksido savitoji šiluminė talpa

Aliuminio oksido inžinerinė keramika yra viena iš plačiausiai naudojamų dėl puikių eksploatacinių savybių už patrauklią kainą. Aliuminio oksidas pasižymi išskirtine savitąja šilumine talpa ir yra įvairių rūšių.

Šiame straipsnyje nagrinėjamas aliuminio oksido nanodalelių (NP) poveikis išlydytos druskos pagrindu pagamintų nanofluidų vienkartinio hidrofobiškumo koeficientams (SHK). Eksperimentiniai duomenys atskleidė, kad SHC mažėja mažėjant NP dydžiui ir koncentracijai; be to, pasiūlytos teorinės prognozės, patvirtinančios šiuos eksperimentinius rezultatus.

Termodinaminės savybės

Aliuminio oksidas yra viena plačiausiai naudojamų inžinerinių keramikų, pasižyminti puikiomis atsparumo šilumai, korozijai ir dilimui savybėmis. Smulkiagrūdis techninės klasės aliuminio oksidas pasižymi didesniu mechaniniu atsparumu ir gniuždymo stiprumu nei bet kuri kita oksidinė keramika; be to, jis pasižymi maža dielektrine konstanta ir cheminiu inertiškumu, todėl tinka naudoti atšiaurioje aplinkoje.

Vis dėlto jo termodinaminės savybės vis dar menkai suprantamos, pavyzdžiui, dėl didelės savitosios šilumos jį sunku greitai atvėsinti. Todėl, naudojant aliuminio oksidą įvairiose srityse, labai svarbu suprasti jo termodinamines savybes; vienas iš būdų tai padaryti - išmatuoti standartinės būsenos entropiją ir Gibso laisvąją energiją, kaip parodyta toliau.

Termodinaminius aliuminio oksido duomenis galima naudoti jo garavimo entalpijai ir kristalizacijos entropijai apskaičiuoti - tai neįkainojama informacija projektuojant procesus, kuriems reikia šios medžiagos, arba lyginant įvairių produktų savybes. Aliuminio oksido bandinių garavimo entalpija priklauso nuo jų temperatūros, slėgio ir tankio - ją galima nustatyti pagal jo garavimo slėgio ir entalpijos priklausomybę nuo temperatūros, gautą sprendžiant Poissono lygtį cilindriniuose tūriuose bandiniams, kurių geometrija panaši į čia pateiktą.

Šią formulę galima naudoti kietųjų bandinių garavimo entalpijai apskaičiuoti pagal temperatūros ir slėgio duomenis, tačiau svarbu prisiminti, kad didelio paviršiaus ploto bandinių garavimo entalpija gali būti didesnė nei jų tūrinių atitikmenų.

Apskaičiuojant garavimo entalpiją reikia atsižvelgti į temperatūrą, nes jos vertė priklauso nuo temperatūros svyravimų; kadangi jos vertė didėja didėjant mėginio temperatūrai. Todėl labai svarbu, kad tiek savitosios šilumos, tiek entalpijos matavimai būtų atliekami esant panašiai temperatūrai.

Aliuminio termodinaminius duomenis galima gauti naudojant adiabatinį kalorimetrą arba lašinant lašelį į Bunseno ledo kalorimetrą ir matuojant jo standartinės būsenos entropiją bet kuriuo iš šių metodų. Kaip parodyta 4 pav., standartinės būsenos entropija didėja kylant temperatūrai ir pasiekia didžiausią vertę 14 K temperatūroje.

Šilumos laidumas

Šilumos laidumas rodo, kaip lengvai šiluma juda medžiagomis. Šią savybę lemia medžiagos molekulių tarpusavio sąveika ir jų judėjimas medžiagoje, jos struktūra ir išsidėstymas, turintis įtakos šilumos laidumui, taip pat naudojami matavimo metodai. Aliuminio oksido šiluminis laidumas yra vienas didžiausių tarp inžinerinės keramikos, todėl jis puikiai tinka naudoti abrazyvams ir ugniai atsparioms medžiagoms.

Aliuminio oksido šilumos laidumą lemia jo molekulių išsidėstymas ir kelio, kuriuo turi praeiti šiluma, ilgis, kuris savo ruožtu priklauso nuo temperatūros. Žemesnėje temperatūroje laidumas paprastai būna didesnis, o jo struktūrą galima keisti manipuliuojant; pavyzdžiui, aliuminio oksido priemaišos gali turėti įtakos jo laidumui, nes jos lemia mažesnes vertes nei grynos formos.

Dydis taip pat turi įtakos aliuminio oksido šiluminėms savybėms; mažesnių granulių šiluminis laidumas paprastai yra mažesnis nei didesnių granulių, nes jos turi didesnį paviršiaus plotą, kuris sąveikauja tarpusavyje ir keičiasi energija su aplinka. Tačiau didesnės granulės paprastai lieka izoliuotos ir nelengvai keičiasi energija tarpusavyje.

Šilumos laidumui įtakos gali turėti atomų ir molekulių sąveika bei medžiagos tankis. Metalo lydinio šilumos laidumas bus mažesnis dėl kietajame kūne esančių atomų virpesių, kurie sumažina laisvųjų elektronų vidutinį laisvąjį kelią, todėl jie efektyviau praranda šilumos energiją nei grynojo metalo analogas.

Aliuminio oksido savitoji šiluminė talpa - arba kiek energijos reikia tam tikram temperatūros padidėjimui - turi įtakos jo šiluminiam laidumui, nes didesnė savitoji šiluminė talpa reiškia, kad temperatūrai pakelti reikia daugiau energijos.

Aliuminio oksido savitoji šiluminė talpa gali labai skirtis priklausomai nuo kalcinavimo temperatūros ir vandens kiekio medžiagoje, o korundo (a-Al2O3) savitoji šiluminė talpa yra didžiausia iš visų formų. G-Al2O3 fazių savitosios šiluminės talpos paprastai būna mažesnės, palyginti su jų analogiškomis fazėmis, o tai atsispindi jų mažesniame šilumos laidume.

Atsparumas korozijai

Aliuminio oksidas yra patvari techninė keraminė medžiaga, pasižyminti puikiu atsparumu korozijai, šiluminiu stabilumu ir atsparumu temperatūrai. Be to, aliuminio oksidas yra įvairių formų, dydžių ir rūšių, kad atitiktų konkrečius naudojimo poreikius.

Varis ar kiti metalai gali padėti pagerinti aliuminio oksido atsparumą korozijai, nes jie įmaišomi į jo matricą, padeda sumažinti kristalinę struktūrą ir skatina susidaryti daugiau apsauginių sluoksnių. Taip pat galima pridėti niobio, titano ir vanadžio, kad atsparumas korozijai dar labiau padidėtų.

Kitas būdas padidinti aliuminio oksido atsparumą korozijai - įtraukti jį į kitus lydinius. Sujungus su kitais elementais, pavyzdžiui, nikeliu ar titanu, aliuminio oksido suformuoti austenitiniai nerūdijantieji plienai (AFA SS) pasižymi aukštesnėmis eksploatavimo temperatūromis nei jų pavienės būsenos [1]. Pavyzdžiui, jie gali atlaikyti didesnę nei 750 laipsnių C temperatūrą, nedarydami įtakos šliaužimo trūkimo trukmei [1].

Niobis gali gerokai padidinti aliuminio oksido atsparumą korozijai agresyvioje aplinkoje. Pridėjus jo į aliuminio oksido matricą, susidaro niobio karbidas (NbC), atsparus aukštai temperatūrai. Be to, niobio pridėjimas padeda stabilizuoti aliuminio oksido mikrostruktūrą ir išvengti bet kokių pažeidimų sukepinimo procesų metu.

Šiuo metodu galima gaminti pageidaujamų savybių aliuminio oksido pagrindu pagamintus lydinius, skirtus įvairioms reikmėms, įskaitant automobilių, chemijos, elektros ir elektronikos pramonę.

Įrodyta, kad aliuminio oksidas yra labai atsparus korozijos sukeliamai korozinių vandeninių tirpalų korozijai, atlaiko sieros ir fosforo rūgščių, taip pat sulfatų ir chloridų druskų poveikį, o organinėms rūgštims, pavyzdžiui, citrinos rūgščiai, yra atsparus. Dėl šių savybių aliuminio oksidas yra ideali medžiaga dujiniam vandenilio kurui gaminti; be to, jis plačiai naudojamas superkritinio vandens gamybos procesuose kaip puiki pasirinktinė medžiaga.

Lydymosi temperatūra

Medžiagų lydymosi temperatūros arba pereinamosios temperatūros yra neatsiejamas veiksnys gamybos srityse, nes jos lemia, ar kietosios medžiagos pradeda virsti iš kietosios į skystąją formą. Aliuminio lydymosi temperatūra yra šešta pagal aukštį tarp metalų - nuo 1220 F iki 660 C; tokia aukšta lydymosi temperatūra leidžia aliuminiui ištverti sunkias sąlygas, nesideformuojant ir netampant trapiam.

Aliuminio oksido lydymosi temperatūra labai aukšta dėl energijos, kurios reikia kovalentiniams ryšiams tarp aliuminio ir deguonies atomų suardyti, todėl jo lydymosi temperatūra labai aukšta. Be to, tai reiškia, kad jis išlaiko savo struktūrinį vientisumą labai aukštoje temperatūroje, todėl yra puiki ugniai atspari medžiaga, naudojama krosnims ir krosnims iškloti.

Lydant aliuminio oksidą gaunamas baltas išlydytas metalas, kurio tekstūra yra labai lygi ir kuris puikiai tinka formuoti įvairioms formoms bei lieti į didelius lakštus ar blokus įvairioms reikmėms. Tačiau jo lydymo procesas reikalauja išsamių žinių, nes lydalo cheminės priemaišos gali pakeisti jo savybes, įskaitant lydymosi temperatūrą. Todėl labai svarbu, kad gamybos procesai būtų atidžiai valdomi, kartu stebint lydalo kokybę, siekiant nustatyti priemaišas prieš liejimą.

Cheminės priemaišos gali turėti įtakos aliuminio oksido lydymosi temperatūrai, tačiau jo lydymosi temperatūra gali skirtis ir dėl jo sudėties. Jo lydymosi temperatūrai įtakos turi šie veiksniai: aliuminio oksido procentinė dalis, g fazės frakcija ir akytumas; pridėjus šių papildomų komponentų, jo lydymosi temperatūra gali gerokai padidėti, palyginti su gryno aliuminio oksido naudojimu gamybai.

Aliuminio oksido šiluminė talpa priklauso ne tik nuo jo termodinaminių ir energetinių savybių, bet ir nuo jo gamybos būdo. Eksperimentai parodė, kad bandinių, sukurtų naudojant įvairius aliuminio alkoksidus, kalcinuotus skirtingose galutinėse temperatūrose, šiluminės talpos funkcijos gali labai skirtis - tai rodo jų matavimo sudėtingumą ir pabrėžia, kaip svarbu juos kuriant taikyti griežtą kalorimetrijos praktiką.