Alumīnija oksīda formula

Alumīnija oksīds (Al₂O₃), ko dēvē arī par alumīnu, ir elektriskais izolators ar izcilu ķīmisko izturību un vidēju stiepes un lieces izturību; tomēr tā lieces izturība joprojām ir zema.

Alumīnija oksīds ir visbiežāk izmantotais materiāls oksīdu keramikas jomā, jo tas ir plaši pieejams, lēts un tam ir labākas mehāniskās īpašības nekā citiem oksīdiem.

Ķīmiskā formula

Alumīnija oksīds (biežāk saukts par alumīnu vai alundumu) ir neorganisks ķīmiskais savienojums ar formulu Al₂O₃, kam raksturīga augsta kušanas temperatūra un liela cietība, balta krāsa, nešķīst ūdenī un amfoteriskas īpašības – reaģē gan kā skābe, gan kā sārms –, kas to padara par vienu no populārākajām rūpnieciskajām keramikas vielām. Alumina dabā sastopama kā korunds, rubīni un safīri, kā arī kā galvenā alumīnija rūda boksītā, savukārt tās ražošanas metodes ietver alumīnija sāls šķīduma ķīmisko dehidratāciju vai alumīnija sāls šķīduma ķīmisko dehidratāciju.

Alumīnija oksīdu plaši izmanto augsttemperatūras iekārtu, piemēram, krāsnīm, cepļiem un atkritumu sadedzināšanas iekārtām, apšuvumam, pateicoties tā siltumizolācijas un elektriskās izolācijas īpašībām, kā arī izturībai pret koroziju, ko izraisa ražošanas procesos izmantotās ķīmiskās vielas. Alumīnija oksīds nodrošina izcilas siltumizolācijas un elektriskās izolācijas īpašības, kā arī aizsardzību pret koroziju, tādējādi padarot to par ideālu materiāla izvēli.

Alumīnija oksīds ir viens no cietākajiem sintētiskajiem materiāliem, kura cietība ir salīdzināma ar dimanta cietību, bet nodilumizturības ziņā tas atpaliek tikai no silīcija karbīda. Turklāt alumīnija oksīds ir izcils izolators un tam piemīt zems izplešanās koeficients, kas nodrošina efektīvu un prognozējamu siltuma pārnesi.

Korunds, kas ir visstabilākais alumīnija oksīda polimorfs, ir viena no tā stabilākajām formām. Tam piemīt trigonāla Bravaisa kristālrežģa struktūra, kurā skābekļa joni atrodas slāņos, kas ir paralēli c-asij, savukārt alumīnijs aizpilda divas trešdaļas oktaedrisko starpību. Korunda skābekļa jonu un alumīnija jonu attiecība ir 1:2:1.

Kristāliskais alumīnija oksīds ir ekonomisks materiāls ar zemu īpatnējo svaru un cietību, ko parasti izmanto pulvera veidā, kura daļiņu izmērs ir no 0,3 līdz 0,8 mm. Kristāliskā alumīnija oksīda pulverim ir divas formas: A tipa pulveris satur sešstūra formas kristālus un tā blīvums ir 4,0, savukārt B tipa pulveris satur kubveida kristālus un tā blīvums ir 3,0; abiem ir laba nodilumizturība, taču A tipa pulveris griežas ātrāk.

Ar tīrības pakāpi 94% ir iespējams ražot alumīnija oksīdu, lai gan lielākajā daļā komerciālo lietojumu parasti nepieciešama tīrības pakāpe diapazonā no 85% līdz 100%. Zemākas tīrības pakāpes parasti izmanto ugunsizturīgos materiālos, savukārt augstākas tīrības pakāpes var atrast cirkona oksīda pastiprinātā alumīnija oksīda (ZTA) keramikā vai monolītajā keramikā, piemēram, cietās un blīvās ZTA pakāpēs.

Fizikālās īpašības

Alumīnija oksīds (Al₂O₃), ko parasti dēvē par alumīnu, ir jonu-kovalents cietvielas savienojums, kas, atšķirībā no metāliem un sakausējumiem, nepadodas slodzes ietekmē. Alumīnija oksīda zemā elektrovadītspēja un termiskā stabilitāte padara to par izcilu izolatoru, kam piemīt lieliska izturība pret ķīmisko iedarbību un ārkārtīgi augsta cietība (9 pēc Mosa skalas). Tā kā alumīna oksīdam ir augsta kušanas temperatūra, to nav iespējams lietot liešanai, taču tā izturība, ilgmūžība un izturība pret koroziju padara to piemērotu izmantošanai nelabvēlīgās apstrādes vidēs, piemēram, apdedzināšanas krāsnīs un kausēšanas krāsnīs.

No alumīnija oksīda veidoti keramiskie apšuvumi tiek plaši izmantoti kā domnas apšuvumi metāla sprauslu un lances aizsardzībai, kā ugunsizturīgi apšuvumi tērauda krāsnīm un rotācijas krāsnīm, kā arī kā liekamie ugunsizturīgie ķieģeļi smilšu liešanas procesos. Alumīnija oksīdam ir zems izplešanās koeficients, kas ļauj tam izturēt ļoti augstas temperatūras, neizliecoties un neplaisājot; turklāt tas ir izturīgs pret skābju iedarbību, ko apliecina tā veiksmīgā izmantošana kā elektrovadu izolācijas materiāls smagos ekspluatācijas apstākļos, piemēram, vara vadu lietojumos korozīvās vidēs.

Alumīnija oksīda augstā kušanas temperatūra padara to par ideālu ugunsizturīgu materiālu stikla ražošanā, kur daudzos logu un iepakojuma stiklos Al₂O₃ ir sastopams tikai niecīgos daudzumos. Ja šos stiklus izmantotu kā glazūras, tie izplūstu un saplīstētu, jo to sastāvā nav pietiekama daudzuma ugunsizturīgu elementu.

Tomēr, pat neliela alumīnija oksīda daudzuma pievienošana stikla receptūrai ļauj tam kust pie zemākas temperatūras, vienlaikus uzlabojot stiepes izturību, virsmas spraigumu, spīdumu, darba diapazona garumu, izturību pret devitrifikāciju un izturību. Turklāt jau neliela daudzuma pievienošana ievērojami palielina lieces un stiepes izturību, kā arī ievērojami samazina trauslo lūzumu veidošanos.

Alumīnija oksīda ugunsizturīgās īpašības padara to par lielisku kandidātu izmantošanai kā medicīnisko alumīnija oksīdu, ko lieto zobu implantiem un citām biomedicīniskām vajadzībām. Medicīnisko alumīnija oksīdu ražo, izmantojot dažādas konsolidācijas un aglomerācijas metodes, kas ļauj iegūt precīzas, gandrīz gatavas formas ar plašu tīrības pakāpi. Lai gan tā vidējā stiepes/lieces izturība ir zemāka nekā tā, kas nepieciešama polikristāliskā alumīnija oksīda implantiem, šī materiāla izcilās mehāniskās īpašības tomēr padara to par apsveramu risinājumu medicīniskajām vajadzībām.

Termiskās īpašības

Alumīnija oksīds izceļas starp citiem metāliem vai sakausējumiem ar savām spēcīgajām starpatomu saiknēm, kas tam piešķir unikālas īpašības, kuras citur nav sastopamas, tostarp augstu izturību un cietību, izcilām dielektriskajām īpašībām gan zemās, gan paaugstinātās temperatūrās, izcilu izturību pret ķīmisko iedarbību un koroziju gan istabas, gan paaugstinātās temperatūrās, izcilām termiskajām īpašībām augstās temperatūrās, kā arī nodrošinot efektīvu siltuma novadīšanas risinājumu.

Alumīnija oksīds ir pieejams dažādās formās, tostarp granulās, pulverī un šķidrajās suspensijās, un to var veidot visdažādākajās formās. Alumīnija oksīdam ir vidēja stiepes izturība un lieces izturība, un tas atšķiras no daudziem polikristāliskajiem keramikas materiāliem ar to, ka tā siltumvadītspēja un kušanas temperatūra ir salīdzinoši zemas – tas nozīmē, ka lielu detaļu liešana nav iespējama.

Alfa fāzes alumīnija oksīds (Al₂O₃) ir materiāls, ko visbiežāk izmanto alumīnija oksīda konstrukcijām. Šai polikristāliskajai formai raksturīgi skābekļa joni, kas sakārtoti sešstūra blīvā režģī, aizpildot divas trešdaļas no visiem oktaedrisko starpvielu atstarpēm. Alumīnija oksīds parāda metastabilitāti arī kubiskajās g un e fāzēs, monoklīniskajā k fāzē un ortorombiskajā d fāzē, kuras paaugstinātā temperatūrā galu galā visas atgriežas stabilajā heksagonālajā alfa fāzē.

Tīram alumīnija oksīdam ir daudz dažādu rūpniecisko pielietojumu, un to parasti piegādā nātrija alumināta veidā ar ķīmisko formulu NaAlO. Šo materiālu ražo, kalcinējot boksītu augstā temperatūrā, lai iegūtu nātrija aluminātu, un pēc tam to sasmalcina smalkā pulverī, pirms sajauc ar ūdeni, lai izveidotu šķidrumu tālākai pārstrādei.

Mūsdienu alumīnija oksīda izstrādājumu tīrības pakāpe parasti ir no 85% līdz 100%, tādēļ tie ir piemēroti aizdedzes svecēm un mikroshēmu substrātiem, kā arī augstas veiktspējas keramikas lietojumiem, piemēram, biezslāņa pārklājumiem.

Tīrs alumīnija oksīds pārspēj porcelāna elektriskās izolācijas īpašības vismaz par divām kārtām istabas temperatūrā un par četrām kārtām augstā temperatūrā, turklāt tas ir ievērojami mazāk jutīgs pret sārmu iedarbību, kas izraisa tā noārdīšanos.

Mehāniskās īpašības

Alumīnija oksīda mehāniskās īpašības ietver tā izturību jeb spēju izturēt deformāciju un spriedzi. Šī īpašība padara alumīnija oksīda keramiku ļoti izturīgu pret triecieniem, ļaujot tai saglabāt formu un izmērus pat zem liela spiediena. Turklāt alumīnija oksīdam piemīt augsta spiedes izturība, kas ļauj tam izturēt lielas slodzes, neciešot bojājumus, savukārt tā stiepes un lieces izturība nodrošina, ka konstrukcijas elementi un detaļas paliek neskartas un funkcionējošas.

Alumīnija oksīdam piemīt izcilas mehāniskās īpašības, piemēram, izturība un izturība pret ķīmisko iedarbību, tādēļ tas ir piemērots rūpnieciskai un komerciālai izmantošanai, tostarp elektrostacijās un rūpnīcās. Kā viena no izturīgākajām mūsdienās pieejamajām inženierkeramikas materiāliem alumīnija oksīds spēj izturēt gan ekstremālas temperatūras, gan nodilumu, tādējādi padarot to par lielisku materiāla izvēli tādu izstrādājumu ražošanai kā elektriskie izolatori, gāzes lāzeru caurules, blīvējuma gredzeni un laboratorijas iekārtas.

Alumīnija oksīda izturība pret koroziju padara to par pieprasītu materiālu aizsardzības bruņojuma ražošanā, tādējādi padarot to par vienu no visbiežāk izvēlētajiem materiāliem militāro transportlīdzekļu un personāla aprīkojuma ražotāju vidū. Šeit īpaši noder alumīnija oksīda cietība un bioloģiskā neaktivitāte, kas padara to piemērotu gūžas protezu gultņu, bionisko implantu, audu nostiprināšanas un audu skeleta veidošanas lietojumiem, kā arī medicīniskām vajadzībām, piemēram, gūžas protezu gultņu ražošanai. Turklāt tā izturība padara alumīnija oksīdu par lielisku izvēli arī ballistisko bruņu ražošanā.

Alumīnija oksīda keramika raksturojas ar zemu akūto un hronisko toksicitāti, īslaicīgas iedarbības gadījumā izraisot tikai nelielu ādas kairinājumu, tādējādi padarot to par ideālu materiālu izmantošanai medicīniskajā aprīkojumā un veselības aprūpes jomā. Tā kā alumīnija oksīda keramika nereaģē ar dažādām ķīmiskām vielām, tā arvien biežāk tiek izmantota kā ķirurģisko instrumentu aizvietotājs, piemēram, volframa karbīda vietā; taču, lai nodrošinātu optimālu izturību medicīniskajā alumīnija oksīdā, tā vispirms ir jāpakļauj stingrai kontrolei aglomerācijas procesa laikā.