Alumina-strukturen

Alumina er en imponerende krystallinsk form av aluminiumoksid med enestående egenskaper. Det har lav elektrisk ledningsevne, høy styrke og ekstrem hardhet på Mohs-skalaen, i tillegg til stor lagringskapasitet.

Selv om aluminiumoksydets egenskaper er imponerende, er det fortsatt uenighet om mikrostrukturen. Dette skyldes uenighet om hvor kationene befinner seg i stoffets enhetscelle, og om det finnes interstitiell hydrogen der.

g-Al₂O₃

Strukturen til g-Al₂O₃-alumina er avgjørende for å forklare stoffets reaktivitet. Den kjennetegnes av et overflatelag med fullstendig oksygenavslutning og 53%-kontraherte doble Al-lag under, som begge har fullstendig oksygenavslutning. Når det utsettes for fuktighet, kan det enten danne aktivt aluminiumoksid (g-Al(OH)₃) eller delvis hydroksylerte aluminiumoksider som g-Al₂O₃-c, som har forskjellige reaktive egenskaper på grunn av strukturelle variasjoner mellom dem.

Det ble gjennomført studier av krystallstrukturen til g-Al₂O₃ ved hjelp av selektiv arealelektrondiffraksjon (SAED) og pulver-røntgendiffraksjon (XRD). SAED-analysen tyder på at de dominerende strukturfeilene er antifasegrenser på gitterplanene som fører til forskyvninger i undergitteret; deres nøyaktige natur er imidlertid fortsatt uavklart.

En undersøkelse av g-Al₂O₃-strukturer har vist at både konservative og ikke-konservative antifasegrenser (APB-er), avhengig av type, kan føre til forskyvninger i plasseringen av enten kationplasser eller tomme oktaedriske plasser; i tillegg påvirker deres tilstedeværelse også stabiliteten til den krystallinske strukturen i aluminiumoksid.

Disse ikke-konservative APB-ene har stor innflytelse på de strukturelle egenskapene til g-Al₂O₃. De kan endre kationposisjonene med henholdsvis opptil 0,2 og 0,45 for hver APB, og det kreves flere APB-er for å oppnå bestemte forskyvningsvektorer.

Ikke-konservative APB-er kan genereres ved hjelp av ulike mekanismer, blant annet enkle glide- og rotasjonsgrenser. Disse mekanismene gir opphav til ulike mikrostrukturmodeller som fører til forskjellig reaktivitet hos aluminiumoksid; det er avgjørende å forstå strukturen for å kunne påvirke reaktiviteten og den termiske stabiliteten på en effektiv måte.

d-Al₂O₃

Aluminiumoksid (aluminium(III)oksid) er en forbindelse som består av to aluminium- og tre oksygenatomer i like forhold, og som brukes som slipemiddel og ildfast materiale, samt er avgjørende i produksjonen av metallisk aluminium. Aluminiumoksid har ulike fysiske og kjemiske egenskaper som gjør det enkelt å bearbeide til ulike produkter med variert utforming, samtidig som det har god motstand mot korrosjon og slitasje. Det har blitt en av de viktigste bestanddelene i produksjonen av dette grunnstoffet. Det inngår også i mange blandinger som brukes i produksjonsprosessen for å fremstille aluminiummetall. Det spiller også en sentral rolle i produksjonsprosessen, og produksjonen av det er avgjørende for å fremstille selve grunnstoffet!

Ovner av Higgins-typen ved 1350–1550 °C danner aluminiumoksidstrukturen, mens vannkjølte beholdere kledd med stål eller karbon, som inneholder avkjølt stål eller karbon, brukes til å avkjøle og krystallisere den raskt, før det smeltede materialet helles ut for rask krystallisering og rask avkjøling av smelten. Når avkjølingen har funnet sted, knuses grovkrystallinsk aluminiumoksid ned til bruk i sintrede materialer med høy tetthet, som grunnlag for sintrede materialer med høy tetthet spesielt utviklet for krevende miljøer eller bruksområder.

Aluminiumoksid har en enestående korrosjons- og slitestyrke takket være sine unike fysiske og kjemiske egenskaper, noe som gjør det egnet for bruk i krevende miljøer som olje- og gassutvinning, bil- og luftfartsproduksjon, kjemiske prosessanlegg og lagringstanker for kjemikalier. Videre kan disse materialene også benyttes til fremstilling av skjære- og slipeverktøy der det stilles høye krav til slitestyrke.

Aluminiumoksid har ikke bare utmerket korrosjons- og slitestyrke, men takket være den lave varmeledningsevnen og det høye smeltepunktet er det også ideelt for produksjon av varmeisolasjon og andre varmebestandige komponenter. Dessuten gjør den lave tettheten produksjonen enkel, da det er lett å forme materialet til ulike former.

Aluminiumoksid har en atomstruktur som ligner på et tettpakket heksagonalt krystallsystem, der oksygenioner holdes sammen gjennom kovalente bindinger som dannes mellom deres oktaedriske sentre. Aluminiumioner opptar to tredjedeler av disse mellomrommene, mens deres egne sentre opptar en tredjedel. Dette gjør det til et ekstremt ildfast materiale med lav elektrisk ledningsevne.

Aluminium reagerer kraftig med oksygen i luften, og det dannes derfor et tynt lag av aluminiumoksid på overflaten for å forhindre videre oksidasjon. Denne prosessen kalles anodisering, og den brukes ofte på mange aluminiumslegeringer for å øke korrosjonsbestandigheten, samtidig som den skaper en glattere og hardere overflate som øker strekkfastheten.

th-Al₂O₃

Aluminiumoksid (Al₂O₃) er en uorganisk kjemisk forbindelse med den kjemiske formelen Al₂O₃, og har omfattende anvendelser innenfor en lang rekke bransjer. Aluminiumoksid består av aluminium- og oksygenatomer bundet sammen i en sekskantet tettpakket (hcp) krystallstruktur, og er en av de mest brukte aluminiumforbindelsene i dag; Produksjon, smelting og brannbeskyttelse er sentrale bruksområder for aluminiumoksid, i tillegg til de mange anvendelsene som råmateriale i for eksempel kjemikalie-, glass- og keramikkproduksjon, der egenskapene som gjør aluminiumoksid til et uunnværlig materiale utnyttes.

th-Al₂O₃ har en struktur med stort spesifikt overflateareal og en jevn porestørrelsesfordeling, noe som gjør det til et høyt verdsatt materiale for katalysatorbærere, der porene spiller en avgjørende rolle for å opprettholde funksjonaliteten. Al₂O₃ er også et enestående slipemiddel, noe som gjør det til en uunnværlig komponent i skjæreverktøy og andre slipeprodukter. På grunn av sin krystallstruktur tåler th-Al₂O₃ høye temperaturer, mens de mange porene muliggjør dannelsen av aluminiumoksidkrystaller. Th-Al₂O₃-fasen kan også være fordelaktig i elektriske anvendelser. For eksempel plasseres keramiske matter produsert av dette materialet inne i røykgasskanalene i kullkraftverk for å beskytte mot slitasje; i tillegg er det en integrert komponent i isolatorer samt i brannhemmende belegg.

Dette materialet fremstilles hovedsakelig av mineralet bauksitt. Bauksittmalm inneholder gibbsitt (Al(OH)₃), boehmitt (g-AlO(OH)₃) og diaspore (a-AlO(OH)₃), sammen med urenheter som blant annet kvarts og silikater. Når det er utvunnet fra jorden, blir det malt til en oppslemming som inneholder en blanding av g-AlO(OH), a-AlO(OH)₃ og b-AlO(OH)₃. Smelting foregår for å utvinne dette verdifulle mineralet ved hjelp av en smelteovn.

Al₂O₃ er mer enn bare et effektivt slipemiddel; det fungerer også som et utmerket katalysatorbærermateriale. Det brukes i ulike reaksjoner, blant annet petrokjemiske, og takket være sin svært løselige struktur egner det seg også til bruk som enzymbærer. Videre inngår Al₂O₃ som en viktig råvare i produksjonsprosesser for keramikk, slipemidler og brannsikre belegg.

c-Al₂O₃

Aluminiumoksid er et uunnværlig industrimateriale som har bidratt betydelig til å forbedre livskvaliteten og samfunnene over hele verden. Takket være sine kjemiske, termiske og mekaniske egenskaper brukes aluminiumoksid i stor utstrekning i moderne teknologi – der dets termiske stabilitet bidrar til produksjonen av aluminiumslegeringer som forbedrer sikkerheten og effektiviteten i bilindustrien og i elektriske anvendelser, mens dets hardhet bidrar til å lage skjæreverktøy eller slipematerialer til bruk hos produsenter av skjæreverktøy.

Siden aluminium har både et høyt smeltepunkt og lav utvidelseskoeffisient, har det flere ønskelige egenskaper for bruk i vannfiltrering og kjemisk prosessering. I tillegg til å være korrosjonsbestandig og slitesterkt, kan aluminium også brukes som elektrisk isolasjonsmateriale. Videre gjør dets oksidasjonstall på +3 at det kan avgi eller ta opp elektroner, noe som gjør at ulike reaksjoner med andre grunnstoffer kan finne sted.

Når aluminiumoksid kombineres med zirkoniumoksid, danner det et enkelt eutektisk system som beholder sin tetragonale struktur når det avkjøles raskt ved høyere temperaturer – noe som øker seigheten samtidig som sprøheten reduseres. Keramikk av aluminiumoksid og zirkoniumoksid er et populært valg for fremstilling av halvlederkomponenter; i tillegg spiller aluminiumoksid en viktig rolle i produksjonen av silisiumkarbid (SiC), et ekstremt hardt og slitesterkt materiale som er egnet for miljøer med høye temperaturer.

Aluminiumoksid er en kjemisk inert og luktfri uorganisk forbindelse med formelen Al₂O₃. Dette uorganiske materialet kalles også alum, alundum eller bauxitt, og kan også være kjent under andre navn, blant annet alum, alundum eller bauxitt. Det forekommer naturlig som korundkrystaller og danner rubiner og safirer, der den levende røde fargen skyldes kromforurensninger, mens den blågrønne fargen skyldes henholdsvis jern- og titanforurensninger. Aluminiumoksid brukes også som slipemiddel i sandpapir, samt som ingrediens i glassemaljer og ildfaste materialer, og er dessuten et viktig adsorbent mot gasser eller vanndamp.

Eksponering for aluminiumoksid kan forårsake lungesykdom. Når radioaktivt merket 26Al inhaleres, binder det seg til makrofager i lungene og akkumuleres, noe som potensielt kan føre til atrofiske bronkioler eller små lungearterioler; videre er det også påvist at det fører til lymfoid hyperplasi hos rotter samt fokale områder med lipoidpneumoni hos hamstere.