Alumīnija struktūra

Alumīnija oksīds ir iespaidīga alumīnija oksīda kristāliska forma ar izcilām īpašībām. Tam piemīt zema elektrovadītspēja, augsta izturība un ārkārtīgi liela cietība pēc Mosa skalas; turklāt tam piemīt liela uzglabāšanas kapacitāte.

Lai gan alumīnija oksīda īpašības ir iespaidīgas, par tā mikrostruktūru joprojām notiek diskusijas. Tas saistīts ar domstarpībām par to, kur kationi atrodas tā apjoma elementāršūnā un vai tajā ir starpvieta ūdeņradis.

g-Al₂O₃

g-Al₂O₃ alumīnija oksīda struktūra ir galvenais faktors, kas izskaidro tā reaktivitāti. To raksturo virsmas slānis, kas pilnībā noslēdzas ar skābekļa atomiem, un zem tā esošie 53% saīsinātie dubultie Al slāņi, kuri abi ir pilnībā noslēgti ar skābekļa atomiem. Saskarsmē ar mitrumu tas var veidot vai nu aktīvo alumīnija oksīdu (g-Al(OH)₃), vai arī daļēji hidroksilētus alumīnija oksīdus, piemēram, g-Al₂O₃-c, kuriem ir atšķirīgas reaktivitātes īpašības, ko nosaka to struktūras atšķirības.

Tika veikti g-Al₂O₃ kristālstruktūras pētījumi, izmantojot selektīvās zonas elektronu difrakciju (SAED) un pulvera rentgendifrakciju (XRD). SAED analīze liecina, ka galvenie struktūras defekti ir pretfāzes robežas, kas novērotas kristālrežģa plaknēs un izraisa apakšrežģa nobīdes; tomēr to precīzā daba joprojām nav noskaidrota.

Pētījumā par g-Al₂O₃ struktūrām ir atklāts, ka gan konservatīvās, gan nekonservatīvās pretfāžu robežas (APB), atkarībā no to veida, var izraisīt gan katjonu vietu, gan tukšo oktaedrālo vietu novirzes; turklāt to klātbūtne ietekmē arī alumīnija oksīda kristāliskās struktūras stabilitāti.

Šiem nekonservatīvajiem APB ir liela ietekme uz g-Al₂O₃ strukturālajām īpašībām. Tie var mainīt katjonu pozīcijas attiecīgi par 0,2 un 0,45 katram APB, turklāt, lai iegūtu konkrētus nobīdes vektorus, ir nepieciešami papildu APB.

Nekonservatīvus APB var ģenerēt, izmantojot dažādus mehānismus, tostarp vienkāršas slīdēšanas un rotācijas robežas. Šie mehānismi rada dažādus mikrostruktūras modeļus, kas nosaka atšķirīgu alumīnija oksīda reaktivitāti; tā struktūras izpratne ir būtiska, lai efektīvi ietekmētu tā reaktivitāti un termisko stabilitāti.

d-Al₂O₃

Alumīnija oksīds (alumīnija(III) oksīds) ir savienojums, kas sastāv no diviem alumīnija un trim skābekļa atomiem vienādās proporcijās; to izmanto kā abrazīvu un ugunsizturīgu materiālu, un tas ir neaizstājams metāliskā alumīnija ražošanā. Alumīnija oksīdam piemīt dažādas fizikālās un ķīmiskās īpašības, kas ļauj to viegli pārstrādāt dažādos izstrādājumos ar atšķirīgiem dizainiem, vienlaikus nodrošinot labu izturību pret koroziju un nodilumu. Tas ir kļuvis par vienu no galvenajām sastāvdaļām šī elementārā metāla ražošanā. To var atrast arī daudzos maisījumos, ko izmanto alumīnija metāla ražošanas procesā. Tam ir arī būtiska loma ražošanas procesā, un tā ražošana ir galvenais priekšnoteikums paša šī elementārā metāla ražošanai!

Higinsa tipa krāsnīs 1350–1550 °C temperatūrā tiek veidota alumīnija oksīda struktūra, savukārt ar ūdeni dzesēti tērauda vai oglekļa apvalki, kuros atrodas atdzesēts tērauds vai oglekļa apvalki, kalpo, lai to ātri atdzesētu un kristalizētu, pirms izlej kausēto materiālu, lai panāktu kausējuma ātru kristalizāciju un ātru atdzesēšanu. Pēc atdzišanas rupji kristalizētais alumīnija oksīds tiek sasmalcināts, lai to izmantotu augstas blīvuma aglomerēto materiālu ražošanā, kas ir īpaši paredzēti prasīgām vidēm vai lietojumiem.

Alumīnija oksīds izceļas ar izcilu izturību pret koroziju un nodilumu, pateicoties tā unikālajām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām, tādēļ tas ir piemērots izmantošanai nelabvēlīgos apstākļos, piemēram, naftas un gāzes izpētē, automobiļu un kosmosa rūpniecībā, kā arī ķīmiskās pārstrādes rūpnīcās un ķīmisko vielu uzglabāšanas tvertnēs. Turklāt šos materiālus var izmantot arī griešanas un slīpēšanas instrumentu ražošanā, kuriem tiek izvirzītas paaugstinātas prasības attiecībā uz nodilumizturību.

Alumīnija oksīds ne tikai nodrošina izcilu izturību pret koroziju un nodilumu, bet arī tā zemā siltumvadītspēja un augstā kušanas temperatūra padara to ideāli piemērotu siltumizolācijas un citu karstumizturīgu detaļu ražošanai. Turklāt tā zemā blīvums atvieglo ražošanas procesu, jo no tā ir viegli izveidot dažādas formas.

Alumīnija oksīdam ir atomārā struktūra, kas atgādina blīvi sakārtotu heksagonālu kristālu sistēmu, kurā skābekļa joni tiek turēti kopā ar kovalento saiti, kas veidojas starp to oktaedrisko centru. Alumīnija joni aizņem divas trešdaļas no šiem starpspēliem, savukārt to pašu centri aizņem vienu trešdaļu. Rezultātā tas ir ārkārtīgi ugunsizturīgs materiāls ar zemu elektrovadītspēju.

Alumīnijs spēcīgi reaģē ar atmosfēras skābekli, tāpēc uz tā virsmas veidojas plāna alumīnija oksīda kārtiņa, lai novērstu turpmāku oksidēšanos. Šo procesu sauc par anodēšanu, un to plaši izmanto daudzos alumīnija sakausējumos, lai palielinātu izturību pret koroziju, vienlaikus radot gludāku un cietāku virsmu, kas palielina stiepes izturību.

th-Al₂O₃

Alumīnija oksīds (Al₂O₃) ir neorganisks ķīmiskais savienojums ar ķīmisko formulu Al₂O₃, kam ir plašs pielietojums dažādās rūpniecības nozarēs. Alumīnija oksīds sastāv no alumīnija un skābekļa atomiem, kas savienoti sešstūra blīvā kristālstruktūrā (hcp), un ir viens no populārākajiem mūsdienās izmantotajiem alumīnija savienojumiem; ražošana, kausēšana un ugunsdrošība ir galvenās alumīnija oksīda izmantošanas jomas, kā arī daudzi tā pielietojumi kā izejmateriāls, piemēram, ķīmisko vielu, stikla un keramikas ražošanas procesos, kuros tiek izmantotas tā īpašības, kas padara alumīnija oksīdu par neaizstājamu materiālu.

th-Al₂O₃ struktūrai piemīt liels īpatnējais virsmas laukums un vienmērīgs poru izmēru sadalījums, tādēļ tas ir ļoti vērtīgs materiāls katalizatoru nesējiem, kur tā poras spēlē būtisku lomu to funkcionalitātes nodrošināšanā. Al₂O₃ ir arī izcils abrazīvs materiāls, tādēļ tas ir neaizstājama sastāvdaļa griešanas rīkos un citos abrazīvos pielietojumos. Pateicoties savai kristāliskajai struktūrai, th-Al₂O₃ spēj izturēt augstas temperatūras, savukārt tā daudzās poras veicina alumīnija oksīda kristālu veidošanos. Th-Al₂O₃ fāze var būt noderīga arī elektrotehnikas jomā. Piemēram, no šī materiāla izgatavoti keramikas paklāji tiek novietoti ogļu spēkstaciju dūmgāzu vadu iekšpusē, lai pasargātu tos no nodiluma; turklāt tas ir neatņemama sastāvdaļa izolatoros, kā arī ugunsdrošos pārklājumos.

Šo materiālu ražo galvenokārt no minerāla boksīta. Boksīta rūdā ir gibbsīts (Al(OH)₃), bēhmīts (g-AlO(OH)₃) un diasporīts (a-AlO(OH)₃), kā arī piemaisījumi, piemēram, kvarcs un silikāti, cita starpā. Pēc izrakšanas no zemes to sasmalcina līdz šķidrai masai, kas satur g-AlO(OH), a-AlO(OH)₃ un b-AlO(OH)₃ maisījumu. Lai iegūtu šo vērtīgo minerālu, to kausē kausēšanas krāsnī.

Al₂O₃ ir ne tikai efektīvs abrazīvs materiāls, bet arī izcils katalizatora nesējs. To izmanto dažādās reakcijās, tostarp naftas ķīmijas reakcijās, un tā ļoti labi šķīstošā struktūra padara to piemērotu arī kā fermentu nesēju. Turklāt Al₂O₃ ir neatņemama izejviela keramikas, abrazīvo materiālu un ugunsdrošo pārklājumu ražošanas procesos.

c-Al₂O₃

Alumīnija oksīds ir neaizstājams rūpniecības materiāls, kas ir devis ievērojamu ieguldījumu cilvēku dzīves un sabiedrības labklājības uzlabošanā visā pasaulē. Pateicoties savām ķīmiskajām, termiskajām un mehāniskajām īpašībām, alumīnija oksīds tiek plaši izmantots mūsdienu tehnoloģijās – tā termiskā stabilitāte tiek izmantota alumīnija sakausējumu ražošanā, kas uzlabo drošību un efektivitāti automobiļu un elektrotehnikas nozarē, savukārt tā cietība palīdz izgatavot griešanas instrumentus vai abrazīvus materiālus, ko izmanto griešanas instrumentu ražotāji.

Tā kā alumīnijam piemīt gan augsta kušanas temperatūra, gan zems izplešanās koeficients, tam ir vairākas vēlamas īpašības, kas ļauj to izmantot ūdens filtrēšanā un ķīmiskās pārstrādes procesos; turklāt, pateicoties korozijas un nodiluma izturībai, alumīniju var izmantot arī kā elektriskā izolatora materiālu. Turklāt tā +3 oksidācijas pakāpe ļauj tam atdot vai uzņemt elektronus, tādējādi veicinot dažādu reakciju norisi ar citiem elementiem.

Apvienojumā ar cirkoniju alumīnija oksīds veido vienkāršu eutektisko sistēmu, kas, atdzesējoties augstākās temperatūrās, saglabā savu tetragonālo struktūru — tādējādi palielinot izturību un vienlaikus samazinot trauslumu. Alumīnija oksīda un cirkona oksīda keramika ir populāra izvēle pusvadītāju ierīču ražošanā; turklāt alumīnija oksīds ir neatņemama sastāvdaļa silīcija karbīda (SiC) ražošanā — tas ir ārkārtīgi cietais un izturīgs materiāls, kas piemērots lietošanai augstas temperatūras vidē.

Alumīnija oksīds ir ķīmiski inerts un bez smaržas neorganisks savienojums ar formulu Al₂O₃. Šo neorganisko materiālu, ko dēvē arī par alum, alundumu vai boksītu, var pazīt arī ar citiem nosaukumiem, tostarp alum, alundums vai boksīts. Dabā tas sastopams kā korunda kristāli, veidojot rubīnus un safīrus, kuru spilgti sarkanais tonis rodas no hroma piemaisījumiem, savukārt zilzaļais tonis — attiecīgi no dzelzs un titāna piemaisījumiem. Alumīnija oksīdu izmanto arī kā abrazīvu smilšpapīra ražošanā, kā arī kā sastāvdaļu stikla emaljās un ugunsizturīgajos materiālos, turklāt tas ir nozīmīgs adsorbents gāzu vai ūdens tvaiku absorbēšanai.

Alumīnija oksīda iedarbība var izraisīt plaušu slimības. Iekšķīgi uzsūcot radioaktīvi marķētu 26Al, tas saistās ar makrofāgiem plaušās un uzkrājas, kas var izraisīt bronhiolu vai mazo plaušu arteriolu atrofiju; turklāt ir pierādīts, ka tas izraisa limfoīdo hiperplāziju žurkām, kā arī lokālus lipoīdās pneimonijas perēkļus kāmjiem.