Alumīnija īpatnējā siltumspēja

Alumīnija oksīda inženierkeramika ir viena no visplašāk izmantotajām materiālu grupām, pateicoties tās izcilajām ekspluatācijas īpašībām par pievilcīgu cenu. Alumīnija oksīdam piemīt izcila īpatnējā siltumietilpība, un tas ir pieejams dažādās kvalitātes pakāpēs.

Šajā darbā tiek pētīta alumīnija oksīda nanodaļiņu (NPs) ietekme uz kausēto sāļu bāzes nanošķidrumu vienkāršajiem hidrofobitātes koeficientiem (SHC). Eksperimentālie dati liecināja, ka SHC samazinājās līdz ar nanodaļiņu izmēra un koncentrācijas samazināšanos; turklāt tika izvirzītas arī teorētiskas prognozes, kas apstiprina šos eksperimentālos rezultātus.

Termodinamiskās īpašības

Alumīnija oksīds ir viena no visplašāk izmantotajām inženierkeramikas materiāliem, kas pazīstama ar savām izcilajām siltuma, korozijas un nodilumizturības īpašībām. Smalkgraudainais tehniskās kvalitātes alumīnija oksīds nodrošina lielāku mehānisko izturību un spiedes izturību nekā jebkura cita oksīda keramika; turklāt tam piemīt zema dielektriskā konstante un ķīmiskā inercija, kas padara to piemērotu lietošanai nelabvēlīgos apstākļos.

Tomēr tā termodinamiskās īpašības joprojām ir nepietiekami izpētītas; piemēram, tās augstā īpatnējā siltumietilpība apgrūtina strauju atdzesēšanu. Tāpēc, izmantojot alumīnija oksīdu dažādos pielietojumos, ir ļoti svarīgi izprast tā termodinamiskās īpašības; viens no veidiem, kā to izdarīt, ir standarta stāvokļa entropijas un Gibsa brīvās enerģijas mērīšana, kā parādīts zemāk.

Alumīnija oksīda termodinamiskos datus var izmantot, lai aprēķinātu tā iztvaikošanas entalpiju un kristalizācijas entropiju, kas sniedz nenovērtējamu informāciju, projektējot procesus, kuros nepieciešams šis materiāls, vai salīdzinot tā īpašības dažādos produktos. Alumīnija oksīda paraugu iztvaikošanas entalpija ir atkarīga no to temperatūras, spiediena un blīvuma – to var noteikt, izmantojot tvaika spiediena un entalpijas temperatūras atkarību, ko iegūst, risinot Puasona vienādojumu cilindriskos tilpumos paraugiem ar līdzīgu ģeometriju, kāda ir šeit.

Šo formulu var izmantot, lai aprēķinātu cietu paraugu iztvaikošanas entalpiju, pamatojoties uz temperatūras un spiediena datiem, tomēr ir svarīgi atcerēties, ka paraugiem ar lielu virsmas laukumu iztvaikošanas entalpija var būt augstāka nekā to tilpuma ekvivalentiem.

Iztvaikošanas entalpijas aprēķināšanai ir jāņem vērā temperatūra, jo tās vērtība ir atkarīga no temperatūras svārstībām; jo tās vērtība palielinās, paaugstinoties parauga temperatūrai. Tādēļ ir ļoti svarīgi, lai gan īpatnējās siltumietilpības, gan entalpijas mērījumi tiktu veikti līdzīgās temperatūrās.

Alumīnija oksīda termodinamiskos datus var iegūt, izmantojot vai nu adiabātisko kalorimetru, vai arī iepilinot pilienu Bunsen ledus kalorimetrā un abās metodēs nosakot tā entropiju standarta stāvoklī. Kā redzams 4. attēlā, tā entropija standarta stāvoklī palielinās līdz ar temperatūras paaugstināšanos, sasniedzot maksimālo vērtību pie 14 K.

Siltuma vadītspēja

Siltumvadītspēja raksturo to, cik viegli siltums pārvietojas caur materiāliem. Šo īpašību nosaka molekulu mijiedarbība materiālā un to kustība tajā; siltumvadītspēju ietekmē gan materiāla struktūra un molekulu izkārtojums, gan izmantotās mērīšanas metodes. Alumīnija oksīdam ir viena no augstākajām siltumvadītspējām starp inženierkeramikas materiāliem, tādēļ tas ir lielisks risinājums izmantošanai abrazīvos un ugunsizturīgos materiālos.

Alumīnija oksīda siltumvadītspēju nosaka tā molekulārā struktūra un ceļa garums, pa kuru siltumam jāpārvietojas, kas savukārt ir atkarīgs no temperatūras. Zemākas temperatūras parasti rada lielāku vadītspēju, savukārt tā struktūru var mainīt, veicot manipulācijas; piemēram, piemaisījumi alumīnija oksīdā var ietekmēt tā vadītspēju, jo tie rada zemākus rādītājus nekā tīrā veidā.

Alumīnija oksīda siltuma īpašībās nozīme ir arī granulu izmēram; mazākas granulas parasti izrāda mazāku siltumvadītspēju nekā lielākas granulas, jo tām ir lielāka virsmas laukums, kas mijiedarbojas savā starpā un apmainās ar enerģiju ar apkārtējo vidi. Savukārt lielākas granulas parasti paliek izolētas un viegli neapmainās ar enerģiju savā starpā.

Siltumvadītspēju var ietekmēt gan atomu, gan molekulu mijiedarbība, kā arī materiāla blīvums. Metāla sakausējumam siltumvadītspēja ir zemāka, jo atomu svārstības cietajā vielā samazina brīvo elektronu vidējo brīvo ceļu tajā, kā rezultātā tie zaudē siltumenerģiju efektīvāk nekā tīrs metāls.

Alumīnija oksīda īpatnējā siltumietilpība — jeb cik daudz enerģijas nepieciešams, lai tā temperatūru paaugstinātu par noteiktu lielumu — ietekmē tā siltumvadītspēju, jo augstāka īpatnējā siltumietilpība nozīmē, ka temperatūras paaugstināšanai nepieciešams vairāk enerģijas.

Alumīnija oksīda īpatnējā siltumietilpība var ievērojami atšķirties atkarībā no kalcinēšanas temperatūras un materiāla mitruma satura, turklāt korundam (a-Al₂O₃) ir vislielākā īpatnējā siltumietilpība starp visām formām. G-Al₂O₃ fāzēm parasti ir zemāka īpatnējā siltumietilpība salīdzinājumā ar citām fāzēm, kas atspoguļojas to zemākajā siltumvadītspējā.

Izturība pret koroziju

Alumīnija oksīds ir izturīgs tehniskais keramikas materiāls ar izcilu izturību pret koroziju, termisko stabilitāti un temperatūras izturību. Turklāt alumīnija oksīds ir pieejams dažādās formās, izmēros un kvalitātes pakāpēs, lai atbilstu konkrētām lietošanas vajadzībām.

Varš vai citi metāli var palīdzēt uzlabot alumīnija oksīda korozijas izturību, tos pievienojot tā matricai, tādējādi samazinot kristālu struktūras un veicinot aizsargslāņu veidošanos. Lai vēl vairāk uzlabotu korozijas izturību, var pievienot arī niobiju, titānu un vanādiju.

Vēl viens veids, kā palielināt alumīnija oksīda izturību pret koroziju, ir tā iekļaušana citos sakausējumos. Savienojumā ar citiem elementiem, piemēram, niķeli vai titānu, alumīnija oksīdu saturošie austenītiskie nerūsējošie tēraudi (AFA SS) ekspluatācijā iztur augstākas temperatūras nekā alumīnija oksīds atsevišķi [1]. Piemēram, tie var izturēt temperatūras, kas pārsniedz 750 °C, neietekmējot izturību pret lēnās deformācijas lūzumu [1].

Niobijs var ievērojami uzlabot alumīnija oksīda izturību pret koroziju agresīvās vidēs. Pievienojot to alumīnija oksīda matricai, veidojas niobija karbīds (NbC), kas ir izturīgs pret augstām temperatūrām. Turklāt niobija pievienošana palīdz stabilizēt alumīnija oksīda mikrostruktūru un novērst bojājumus aglomerācijas procesa laikā.

Šo metodi var izmantot, lai ražotu alumīnija oksīda sakausējumus ar vēlamajām īpašībām dažādiem pielietojumiem, tostarp automobiļu rūpniecībā, ķīmiskajā pārstrādē, elektrotehnikā un elektronikas nozarē.

Alumīnija oksīds ir pierādījis savu augsto izturību pret koroziju, ko izraisa kodīgi ūdens šķīdumi, izturot sērskābes un fosforskābes iedarbību, kā arī sulfātu un hlorīdu sāļu iedarbību, vienlaikus neuzsūcot organiskās skābes, piemēram, citronskābi. Pateicoties šīm īpašībām, alumīnija oksīds ir ideāls materiāls gāzveida ūdeņraža degvielas ražošanai; turklāt to plaši izmanto superkritiskā ūdens ražošanas procesos kā izcilu materiālu.

Kušanas punkts

Vielu kušanas punkti jeb pārejas temperatūras ir būtisks faktors ražošanas procesos, jo tie nosaka, kad cietvielas sāk pāriet no cietā stāvokļa šķidrā stāvoklī. Alumīnijam ir sestā augstākā kušanas temperatūra starp metāliem — 1220 F līdz 660 C; šī augstā kušanas temperatūra ļauj alumīnijam izturēt smagus apstākļus, nedeformējoties un nekļūstot trauslam.

Alumīnija oksīdam ir ārkārtīgi augsta kušanas temperatūra, jo, lai pārraut kovalentās saites starp alumīnija un skābekļa atomiem, ir nepieciešama liela enerģija, kas nosaka tā ārkārtīgi augsto kušanas temperatūru. Turklāt tas nozīmē, ka tas saglabā savu strukturālo integritāti ļoti augstās temperatūrās, tādējādi padarot to par izcilu ugunsizturīgu materiālu, ko izmanto krāsnu un apdedzināšanas krāsnu apšuvumam.

Kausējot alumīnija oksīdu, rodas balts, kausēts metāls ar ārkārtīgi gludu tekstūru, kas ir ideāli piemērots dažādu formu veidošanai un liešanai lielos lokšņos vai blokos dažādiem lietojumiem. Tomēr tā kausēšanas process prasa plašas zināšanas, jo ķīmiskie piemaisījumi kausējumā var mainīt tā īpašības, tostarp kušanas punktu. Tāpēc ir ļoti svarīgi rūpīgi pārvaldīt ražošanas procesus, vienlaikus kontrolējot kausējuma kvalitāti, lai identificētu piemaisījumus pirms liešanas.

Ķīmiskie piemaisījumi var ietekmēt alumīnija oksīda kušanas temperatūru, taču tā var mainīties arī atkarībā no tā sastāva. Faktori, kas ietekmē tā kušanas temperatūru, ietver alumīnija oksīda procentuālo daļu, g fāzes daļu un porainību; šo papildu komponentu pievienošana var ievērojami paaugstināt tā kušanas temperatūru salīdzinājumā ar gadījumu, kad ražošanā kā materiāls tiek izmantots tikai tīrs alumīnija oksīds.

Papildus termodinamisko un enerģētisko īpašību atšķirībām alumīnija oksīda siltumietilpība ir atkarīga arī no tā ražošanas veida. Eksperimenti ir parādījuši, ka siltumietilpības funkcijas paraugiem, kas izgatavoti, izmantojot dažādus alumīnija alkoksīdus un kalcinējot tos dažādās galīgajās temperatūrās, var būtiski atšķirties – tas uzsver gan to mērījumu sarežģītību, gan to, cik svarīgi ir ievērot stingras kalorimetriskās metodes to ražošanas procesā.