Spesifikk varmekapasitet for aluminiumoksid

Teknisk keramikk av aluminiumoksid er blant de mest brukte på grunn av sin overlegne ytelse til en attraktiv pris. Alumina har en enestående spesifikk varmekapasitet og finnes i ulike kvaliteter.

Denne artikkelen undersøker effekten av nanopartikler av aluminiumoksid (NP) på smeltede saltbaserte nanofluiders hydrofobisitetskoeffisienter (SHC). Eksperimentelle data viser at SHC synker med både størrelsen og konsentrasjonen av nanopartikler, og det er også foreslått teoretiske prediksjoner som støtter disse eksperimentelle resultatene.

Termodynamiske egenskaper

Aluminiumoksid er en av de mest brukte tekniske keramikkene, kjent for sine utmerkede egenskaper når det gjelder varme-, korrosjons- og slitestyrke. Finkornet teknisk aluminiumoksid har høyere mekanisk styrke og trykkfasthet enn noen annen oksidkeramikk, og i tillegg har den lav dielektrisk konstant og kjemisk inertitet, noe som gjør den velegnet til bruk i tøffe miljøer.

Likevel er de termodynamiske egenskapene fortsatt dårlig forstått; for eksempel gjør den høye spesifikke varmen det vanskelig å kjøle ned raskt. Derfor er det viktig å forstå de termodynamiske egenskapene når man skal bruke aluminiumoksid i ulike anvendelser. En måte å gjøre dette på er å måle entropi og Gibbs frie energi i standardtilstand, som vist nedenfor.

Termodynamiske data om aluminiumoksid kan brukes til å beregne fordampningsenthalpien og krystalliseringsentropien, noe som gir uvurderlig informasjon når man skal utforme prosesser som krever materialet, eller sammenligne ytelsen mellom ulike produkter. Fordampningsenthalpien for aluminiumoksidprøver avhenger av temperatur, trykk og tetthet - den kan bestemmes ut fra temperaturavhengigheten til damptrykket og entalpien ved å løse Poisson-ligningen i sylindriske volumer for prøver med lignende geometri som den vi har funnet her.

Denne formelen kan brukes til å beregne fordampningsenthalpien til faste prøver basert på temperatur- og trykkdata, selv om det er viktig å huske på at prøver med stort overflateareal kan resultere i høyere fordampningsenthalpier enn deres volumetriske ekvivalenter.

Beregning av fordampningsenthalpien krever at man tar hensyn til temperaturen, siden verdien avhenger av temperatursvingninger, og siden verdien øker med økt prøvetemperatur. Derfor er det avgjørende at målingene av både spesifikk varme og entalpi utføres ved lignende temperaturer.

Termodynamiske data for aluminiumoksid kan innhentes enten ved hjelp av et adiabatisk kalorimeter eller ved å slippe en dråpe ned i et Bunsen-iskalorimeter og måle entropien i standardtilstanden ved hjelp av en av teknikkene. Som vist i figur 4, øker entropien i standardtilstanden med økende temperatur, og når sin høyeste verdi ved 14 K.

Termisk konduktivitet

Varmeledningsevne måler hvor lett varme beveger seg gjennom materialer. Denne egenskapen bestemmes av samspillet mellom molekylene i et materiale og hvordan de beveger seg rundt i det, dets struktur og oppbygning påvirker varmeledningsevnen, samt hvilke måleteknikker som brukes. Aluminiumoksid har en av de høyeste varmeledningsegenskapene blant tekniske keramer - noe som gjør det til en utmerket kandidat for bruk i slipemidler og ildfaste materialer.

Aluminas varmeledningsevne bestemmes av molekylarrangementet og lengden på banen som varmen må passere gjennom, noe som igjen avhenger av temperaturen. Lavere temperaturer fører gjerne til høyere ledningsevne, samtidig som strukturen kan endres gjennom manipulering. For eksempel kan urenheter i alumina påvirke ledningsevnen ved at de gir lavere verdier enn rene former.

Størrelsen spiller også en rolle for aluminas termiske egenskaper. Mindre granulater har en tendens til å ha lavere varmeledningsevne enn større granulater, fordi de har større overflateareal som interagerer med hverandre og utveksler energi med omgivelsene. Større granulater har derimot en tendens til å forbli isolerte og utveksler ikke så lett energi med hverandre.

Varmeledningsevnen kan påvirkes av både atom- og molekylære interaksjoner samt materialets tetthet. En metallegering vil ha lavere varmeledningsevne på grunn av vibrasjoner i atomene i det faste stoffet som reduserer den gjennomsnittlige frie banen for frie elektroner i legeringen, noe som fører til at de mister varmeenergi mer effektivt enn i rene metaller.

Aluminas spesifikke varmekapasitet - eller hvor mye energi som kreves for å øke temperaturen med en viss mengde - har innvirkning på varmeledningsevnen, siden en høyere spesifikk varmeverdi betyr at det kreves mer energi for å øke temperaturen.

Den spesifikke varmekapasiteten til aluminiumoksid kan variere betydelig avhengig av kalsineringstemperaturen og vanninnholdet i materialet, der korund (a-Al2O3) har den høyeste spesifikke varmekapasiteten blant alle former. G-Al2O3-fasene har en tendens til å ha lavere spesifikk varmekapasitet sammenlignet med sine motparter, noe som gjenspeiles i deres lavere varmeledningsevne.

Motstandsdyktighet mot korrosjon

Alumina er et slitesterkt teknisk keramisk materiale med utmerket korrosjonsbestandighet, termisk stabilitet og temperaturbestandighet. I tillegg finnes Alumina i ulike former, størrelser og kvaliteter for å møte spesifikke bruksbehov.

Kobber eller andre metaller kan bidra til å forbedre korrosjonsbestandigheten til alumina ved å tilsette dem i matrisen, noe som bidrar til å redusere krystallstrukturen og fremme dannelsen av mer beskyttende lag. Niob, titan og vanadium kan også tilsettes for å forbedre korrosjonsbestandigheten ytterligere.

En annen måte å øke korrosjonsbestandigheten til aluminiumoksid på er å inkorporere det i andre legeringer. Når alumina kombineres med andre elementer, som nikkel eller titan, kan aluminaformende austenittisk rustfritt stål (AFA SS) tåle høyere temperaturer enn i solo-tilstand [1]. De kan for eksempel tåle temperaturer på over 750 °C uten at det går ut over levetiden ved krypbrudd [1].

Niob kan forbedre korrosjonsbestandigheten til alumina i aggressive miljøer. Når niob tilsettes en aluminiumoksidmatrise, dannes det niobkarbid (NbC), som er motstandsdyktig mot høye temperaturer. Tilsetning av niob bidrar dessuten til å stabilisere mikrostrukturen i aluminiumoksid og forhindrer skader under sintringsprosessen.

Denne metoden kan brukes til å produsere aluminiumoksydbaserte legeringer med ønskelige egenskaper for ulike bruksområder, blant annet innen bilindustrien, kjemisk prosessering, elektro og elektronikk.

Aluminiumoksid har vist seg å være svært motstandsdyktig mot korrosjon forårsaket av korrosive vandige løsninger, og tåler angrep fra svovelsyre og fosforsyre, samt sulfat- og kloridsalter, samtidig som det er ugjennomtrengelig for organiske syrer som sitronsyre. På grunn av disse egenskapene er aluminiumoksid et ideelt materiale for produksjon av hydrogengassformig brensel, og det brukes også i stor utstrekning i prosesser for produksjon av superkritisk vann som et utmerket materialvalg.

Smeltepunkt

Stoffers smeltepunkter, eller overgangstemperaturer, er en viktig faktor i produksjonsapplikasjoner, ettersom de avgjør om faste stoffer begynner å omdannes fra fast til flytende form. Aluminium har det sjette høyeste smeltepunktet blant metallene, mellom 1220 F og 660 C. Dette høye smeltepunktet gjør at aluminium tåler tøffe forhold uten å deformeres eller bli sprøtt.

Aluminiumoksid har et ekstremt høyt smeltepunkt på grunn av den energien som kreves for å bryte opp de kovalente bindingene mellom aluminium- og oksygenatomer, noe som fører til det ekstremt høye smeltepunktet. Dette betyr også at det beholder sin strukturelle integritet ved svært høye temperaturer, noe som gjør det til et utmerket ildfast materiale som brukes til å fôre ovner.

Ved å smelte aluminiumoksid får man et hvitt, smeltet metall med en ekstremt glatt tekstur, perfekt til å støpe i ulike former og til å støpe i store plater eller blokker for ulike bruksområder. Smelteprosessen krever imidlertid omfattende kunnskap, ettersom kjemiske urenheter i smelten kan endre metallets egenskaper, inkludert smeltepunktet. Derfor er det avgjørende at produksjonsprosessene styres nøye, samtidig som smeltekvaliteten overvåkes for å identifisere urenheter før støping.

Kjemiske urenheter kan påvirke smeltepunktet til alumina, men smeltepunktet kan også variere på grunn av sammensetningen. Faktorer som påvirker smeltepunktet, er blant annet prosentandelen alumina, g-fasefraksjonen og porøsitetsinnholdet. Hvis man tilsetter disse ekstra komponentene, kan smeltepunktet øke betydelig sammenlignet med om man bare bruker ren alumina som materiale i produksjonen.

I tillegg til variasjoner i de termodynamiske og energimessige egenskapene, avhenger aluminiumoksyds varmekapasitet også av hvordan det er produsert. Eksperimenter har vist at varmekapasitetsfunksjonene til prøver laget av ulike aluminiumalkoksider kalsinert ved ulike sluttemperaturer kan variere betydelig - noe som understreker kompleksiteten i målingene og hvor viktig det er å praktisere strenge kalorimetriske metoder under produksjonen.