Formula Aluminei

Oxidul de aluminiu (Al₂O₃), cunoscut și sub denumirea de alumină, este un izolator electric cu o rezistență chimică excelentă și rezistențe moderate la tracțiune și la încovoiere; cu toate acestea, rezistența sa la rupere prin încovoiere rămâne scăzută.

Alumina este materialul preferat în domeniul ceramicii pe bază de oxizi, datorită abundenței sale, costului redus și proprietăților mecanice superioare față de alte oxizi.

Formula chimică

Oxidul de aluminiu (cunoscut mai frecvent sub denumirea de alumină sau alundum) este un compus chimic anorganic cu formula Al₂O₃, care se caracterizează printr-un punct de topire ridicat și o duritate mare, de culoare albă, insolubil în apă și cu proprietăți amfotere – reacționând atât acid, cât și alcalin –, ceea ce îl face una dintre cele mai populare ceramici industriale. Alumina se găsește în natură sub formă de corindon, rubine și safire, fiind totodată prezentă ca principal minereu de aluminiu în bauxită, iar metodele de producție includ deshidratarea chimică a unei soluții de aluminat.

Alumina este utilizată pe scară largă pentru căptușirea echipamentelor care funcționează la temperaturi ridicate, precum cuptoare, furnale și incineratoare, datorită proprietăților sale de izolare termică și electrică, precum și rezistenței la coroziunea provocată de substanțele chimice utilizate în procesele de fabricație. Alumina oferă proprietăți excelente de izolare termică și electrică, precum și protecție împotriva coroziunii, ceea ce o face alegerea ideală ca material.

Alumina este unul dintre cele mai dure materiale artificiale, rivalizând cu diamantul în ceea ce privește duritatea și fiind depășită doar de carbură de siliciu în ceea ce privește rezistența la uzură. În plus, alumina acționează ca un izolator excelent și are un coeficient de dilatare redus, ceea ce asigură un transfer de căldură eficient și previzibil.

Corundul, cel mai stabil polimorf al aluminei, este una dintre cele mai stabile forme ale acesteia. Acesta prezintă o structură de rețea Bravais trigonală, în care ionii de oxigen ocupă straturi paralele cu axa c, în timp ce aluminiul umple două treimi din interstițiile octaedrice. Raportul dintre ionii de oxigen și ionii de aluminiu din corindon este de 1:2:1.

Alumina cristalină este un material economic, cu o greutate specifică și o duritate reduse, care se găsește de obicei sub formă de pulbere cu dimensiuni ale particulelor cuprinse între 0,3 și 0,8 mm. Există două forme de pulbere de alumină cristalină; tipul A conține cristale hexagonale și are o densitate de 4,0, în timp ce tipul B prezintă cristale cubice cu o densitate de 3,0; ambele prezintă o bună rezistență la abraziune, tipul A având o tăiere mai rapidă.

La un grad de puritate de 94%, se poate produce alumină, deși majoritatea aplicațiilor comerciale necesită, de obicei, grade de puritate cuprinse între 85% și 100%. Gradele cu puritate mai scăzută sunt utilizate în mod obișnuit în aplicații refractare, în timp ce gradele cu puritate mai ridicată se regăsesc în ceramica din alumină întărită cu zirconiu (ZTA) sau în ceramica monolitică, cum ar fi gradele de ZTA dure și dense.

Proprietăți fizice

Oxidul de aluminiu (Al₂O₃), cunoscut în mod obișnuit sub denumirea de alumină, este un solid ionic-covalent care nu cedează sub sarcină, spre deosebire de metale și aliaje. Conductivitatea electrică redusă și stabilitatea termică a aluminei o fac un izolator excelent, cu o rezistență remarcabilă la atacurile chimice și o duritate extremă (9 pe scara Mohs). Datorită punctului său de topire ridicat, turnarea sa nu este fezabilă, dar rezistența, durabilitatea și rezistența la coroziune o fac potrivită pentru utilizarea în medii de procesare dure, precum cuptoare și furnale.

Căptușelile ceramice compuse din alumină sunt utilizate pe scară largă ca căptușeli pentru furnale, pentru a proteja duzele și lanceurile metalice, ca căptușeli refractare pentru cuptoare de oțel și cuptoare rotative, precum și în procesele de turnare a cărămizilor refractare turnabile și a nisipului de turnare. Alumina are un coeficient de dilatare redus, ceea ce îi permite să reziste la temperaturi foarte ridicate fără a se deforma sau a se fisura; în plus, este rezistentă la atacul acid, fapt demonstrat de succesul său ca izolator pentru cabluri electrice în aplicații electrice solicitante, cum ar fi cele cu fire de cupru în medii corozive.

Punctul de topire ridicat al aluminei o face un material refractar ideal pentru producția de sticlă, în cadrul căreia multe tipuri de sticlă pentru ferestre și recipiente conțin doar urme de Al₂O₃. Dacă aceste tipuri de sticlă ar fi folosite ca glazuri, s-ar scurge și s-ar crăpa din cauza lipsei unor elemente refractare suficiente în compoziția lor.

Cu toate acestea, adăugarea chiar și a unei cantități mici de alumină într-o rețetă de sticlă permite topirea acesteia la o temperatură mai scăzută, îmbunătățind în același timp rezistența la tracțiune, tensiunea superficială, luciul, intervalul de prelucrare, rezistența la devitrificare și tenacitatea. În plus, adăugarea unei singure vârfuri de cuțit crește rezistența la încovoiere și la tracțiune și reduce semnificativ tendința de rupere fragilă.

Proprietățile refractare ale aluminei o fac un material excelent pentru utilizarea ca alumină medicală, folosită în implanturile dentare și în alte aplicații biomedicale. Alumina medicală este produsă folosind diverse tehnici de consolidare și sinterizare care generează forme precise, apropiate de cele finale, cu intervale largi de puritate. Deși rezistența sa moderată la tracțiune și la încovoiere este inferioară celei necesare pentru implanturile din alumină policristalină destinate aplicațiilor de implantologie, performanțele sale mecanice superioare fac totuși ca acest material să merite luat în considerare pentru aplicații medicale.

Proprietăți termice

Alumina se distinge de alte metale sau aliaje datorită legăturilor interatomice puternice, care îi conferă proprietăți unice, neîntâlnite în altă parte, printre care rezistența și duritatea ridicate, proprietăți dielectrice excelente atât la temperaturi scăzute, cât și la temperaturi ridicate, rezistență excelentă la atacul chimic și la coroziune atât la temperatura camerei, cât și la temperaturi ridicate, proprietăți termice superioare la temperaturi ridicate, precum și faptul că oferă o soluție eficientă de disipare a căldurii.

Alumina se prezintă sub mai multe forme, printre care granule, pulbere și suspensii, și poate fi modelată în diverse forme. Având o rezistență moderată la tracțiune și la încovoiere, alumina se deosebește de multe materiale ceramice policristaline prin faptul că conductivitatea sa termică și punctul de topire sunt relativ scăzute – ceea ce înseamnă că turnarea pieselor de mari dimensiuni este imposibilă.

Alumina în faza alfa (Al₂O₃) este materialul cel mai des utilizat în aplicațiile structurale ale aluminei. Această formă policristalină se caracterizează prin ioni de oxigen dispuși într-o rețea hexagonală compactă, care umplu două treimi din totalul interstițiilor octaedrice. Alumina prezintă, de asemenea, metastabilitate în fazele cubice g și e, în faza monoclină k și în faza ortorombică d, toate acestea revenind în cele din urmă la faza alfa hexagonală stabilă la temperaturi ridicate.

Alumina pură are numeroase aplicații industriale și este furnizată, de obicei, sub formă de aluminat de sodiu, cu formula NaAlO. Acest material se obține prin calcinarea bauxitei la temperaturi ridicate pentru a produce aluminat de sodiu, care este apoi măcinat până la obținerea unei pulberi fine, înainte de a fi amestecat cu apă pentru a forma o suspensie destinată prelucrării ulterioare.

Produsele moderne din alumină au, de obicei, un grad de puritate cuprins între 85% și 100%, ceea ce le face potrivite pentru bujii și substraturi pentru microcipuri, precum și pentru aplicații ceramice de înaltă performanță, cum ar fi acoperirea cu film gros.

Alumina pură depășește izolația electrică din porțelan cu cel puțin două ordine de mărime la temperatura camerei și cu patru ordine de mărime la temperaturi ridicate, fiind, de asemenea, mult mai puțin vulnerabilă la atacurile alcaline care provoacă degradarea.

Proprietăți mecanice

Printre proprietățile mecanice ale aluminei se numără rezistența sa, sau toleranța la tensiune-deformație. Această proprietate conferă ceramicii din alumină o rezistență ridicată la șocuri, menținându-și forma și dimensiunile chiar și sub presiune intensă. În plus, alumina are o rezistență ridicată la compresiune, ceea ce îi permite să suporte sarcini grele fără a se deteriora, în timp ce rezistența sa la tracțiune și la încovoiere asigură menținerea intactă și funcțională a componentelor și pieselor structurale.

Alumina prezintă proprietăți mecanice excelente, precum durabilitatea și rezistența la atacurile chimice, ceea ce o face potrivită pentru aplicații industriale și comerciale, inclusiv în centrale electrice și fabrici. Fiind una dintre cele mai durabile ceramici tehnice disponibile în prezent, alumina poate rezista la temperaturi extreme, precum și la uzură, ceea ce o face o alegere excelentă ca material pentru fabricarea unor produse precum izolatori electrici, tuburi laser cu gaz, inele de etanșare și echipamente de laborator.

Rezistența aluminei la coroziune o face, de asemenea, un material foarte căutat pentru producția de armuri de protecție, ceea ce o plasează printre opțiunile preferate ale producătorilor de vehicule militare și echipamente de protecție pentru personal. Duritatea și bioinerția aluminei se dovedesc deosebit de utile în acest context, făcând-o potrivită pentru crearea de proteze de șold, implanturi bionice, întărirea țesuturilor, aplicații de schelet țesutular, precum și pentru aplicații medicale, cum ar fi protezele de șold. În plus, durabilitatea sa face din alumină o alegere excelentă și pentru producția de armuri balistice.

Ceramica din alumină prezintă un nivel scăzut de toxicitate acută și cronică, provocând doar iritații cutanate minore în cazul expunerilor de scurtă durată, ceea ce o face un material ideal pentru utilizarea în echipamente medicale și aplicații din domeniul sănătății. Datorită lipsei de reactivitate față de diverse substanțe chimice, ceramica din alumină este din ce în ce mai des utilizată ca înlocuitor al instrumentelor chirurgicale, cum ar fi carbură de tungsten; însă, pentru a îndeplini cerințele optime de rezistență ale aluminei medicale, aceasta trebuie să fie supusă mai întâi unor reglementări stricte în timpul procesului de sinterizare.