Formula aluminijevega oksida

Aluminijev oksid (Al2O3), imenovan tudi aluminijev oksid, je električni izolator z odlično kemijsko odpornostjo ter zmerno natezno in upogibno trdnostjo, vendar je njegova upogibna žilavost nizka.

Aluminijev oksid je zaradi svojega velikega števila, nizke cene in boljših mehanskih lastnosti kot drugi oksidi najpogostejši material za oksidno keramiko.

Kemijska formula

Aluminijev oksid (pogosteje imenovan aluminijev oksid ali alundum) je anorganska kemična spojina s formulo Al2O3, ki ima visoko tališče in močno trdoto, belo barvo, je netopen v vodi in ima amfoterne lastnosti - reagira tako kislo kot alkalno - zaradi česar je ena najbolj priljubljenih industrijskih keramik. Aluminij se v naravi pojavlja kot korund, rubini in safirji, prisoten pa je tudi kot glavna aluminijeva ruda v boksitu, medtem ko metode proizvodnje vključujejo kemično dehidracijo raztopine aluminata ali kemično dehidracijo raztopine aluminata.

Aluminij se pogosto uporablja za oblaganje visokotemperaturnih naprav, kot so peči, kurišča in sežigalnice, zaradi svojih toplotnih in električnih izolacijskih lastnosti ter odpornosti proti koroziji, ki jo povzročajo kemikalije, uporabljene med proizvodnimi postopki. Aluminij ima odlične toplotne in električne izolacijske lastnosti ter zaščito pred korozijo, zato je idealna izbira materiala.

Aluminij je eden najtrših umetnih materialov, po trdoti se lahko kosa z diamantom, po odpornosti proti obrabi pa je na drugem mestu za silicijevim karbidom. Poleg tega je aluminijev oksid odličen izolator in ima nizek raztezni koeficient, ki zagotavlja učinkovit in predvidljiv prenos toplote.

Korund, najstabilnejši polimorf aluminijevega oksida, je ena od njegovih najbolj stabilnih oblik. Ima trigonalno Bravaisovo mrežno strukturo, v kateri kisikovi ioni zasedajo plasti, vzporedne z osjo c, medtem ko aluminij zapolnjuje dve tretjini oktaedričnih vrzeli. Razmerje med kisikovimi in aluminijevimi ioni v korundu je 1:2:1.

Kristalni aluminijev oksid je ekonomičen material z nizko specifično težo in trdoto, običajno v obliki prahu z velikostjo delcev med 0,3 in 0,8 mm. Obstajata dve obliki kristaliničnega aluminijevega oksida v prahu; tip A vsebuje heksagonalne kristale in ima gostoto 4,0, tip B pa kubične kristale z gostoto 3,0; oba imata dobro odpornost proti obrabi, tip A se hitreje reže.

Pri čistosti 94% se lahko proizvaja aluminijev oksid, čeprav večina komercialnih aplikacij običajno zahteva čistost med 85%-100%. Stopnje nižje čistosti se običajno uporabljajo v ognjevzdržnih aplikacijah, medtem ko se stopnje višje čistosti uporabljajo v keramiki iz cirkonijevega kaljenega aluminijevega oksida (ZTA) ali monolitni keramiki, kot so trde in goste stopnje ZTA.

Fizikalne lastnosti

Aluminijev oksid (Al2O3), običajno imenovan aluminijev oksid, je ionsko-kovalentna trdna snov, ki se pod obremenitvijo ne podreja tako kot kovine in zlitine. Zaradi nizke električne prevodnosti in toplotne stabilnosti je aluminijev oksid odličen izolator, ki je odlično odporen proti kemičnim napadom in izjemno trd (9 po Mohsovi lestvici). Zaradi visokega tališča njegovo litje ni izvedljivo, vendar je zaradi svoje trdnosti, trajnosti in odpornosti proti koroziji primeren za uporabo v težkih predelovalnih okoljih, kot so peči in kurišča.

Keramične obloge, sestavljene iz aluminijevega oksida, se pogosto uporabljajo kot obloge plavžev za zaščito kovinskih šob in lans, ognjevarne obloge za jeklarske peči in rotacijske peči ter za litje ognjevarnih opek v peščeno litje. Aluminij ima nizek koeficient raztezanja, zaradi česar lahko prenese zelo visoke temperature, ne da bi se deformiral ali razpokal; poleg tega je odporen na kislinske napade, kar dokazuje njegov uspeh kot izolator pri uporabi za izolacijo električnih žic v zahtevnih električnih aplikacijah, kot so aplikacije bakrenih žic v korozivnih okoljih.

Zaradi visokega tališča je aluminijev oksid idealen ognjevzdržni material za proizvodnjo stekla, pri čemer so v številnih okenskih in embalažnih steklih le sledovi Al2O3. Če bi ta stekla uporabili kot glazure, bi se zaradi pomanjkanja ognjevzdržnih elementov v sestavi razblinila in razpokala.

Vendar pa dodajanje že majhne količine aluminijevega oksida recepturi stekla omogoča taljenje pri nižji temperaturi, hkrati pa izboljša natezno trdnost, površinsko napetost, sijaj, dolžino delovnega območja, odpornost na devitrifikacijo in žilavost. Poleg tega dodajanje le ščepca poveča upogibno in natezno trdnost ter znatno zmanjša krhko lomljivost.

Ognjevzdržne lastnosti aluminijevega oksida ga naredijo odličnega kandidata za uporabo kot medicinski aluminijev oksid, ki se uporablja za zobne vsadke in druge biomedicinske aplikacije. Medicinski aluminijev oksid se proizvaja z različnimi tehnikami konsolidacije in sintranja, ki omogočajo izdelavo natančnih skoraj mrežastih oblik s širokim razponom čistosti. Čeprav je njegova zmerna natezna/ upogibna trdnost manjša od tiste, ki se zahteva za polikristalinične aluminijeve vsadke za uporabo v implantatih, je zaradi njegove odlične mehanske zmogljivosti še vedno vredno razmisliti o uporabi tega materiala v medicini.

Toplotne lastnosti

Aluminij se razlikuje od drugih kovin ali zlitin zaradi močne medatomske vezi, kar mu daje edinstvene lastnosti, ki jih drugje ni mogoče videti, vključno z visoko trdnostjo in trdoto, odličnimi dielektričnimi lastnostmi pri nizkih in povišanih temperaturah, odlično odpornostjo na kemične napade in korozijo pri sobnih in povišanih temperaturah, odličnimi toplotnimi lastnostmi pri visokih temperaturah ter učinkovitim odvajanjem toplote.

Aluminij je na voljo v več oblikah, vključno z granulami, prahom in suspenzijo, in ga je mogoče oblikovati v najrazličnejše oblike. Aluminij ima zmerno natezno trdnost in upogibno trdnost, od številnih polikristaliničnih keramičnih materialov pa se razlikuje po tem, da sta njegova toplotna prevodnost in tališče razmeroma nizka, kar pomeni, da je vlivanje velikih delov nemogoče.

Aluminij alfa faze (Al2O3) je material, ki se najpogosteje uporablja za strukturne aplikacije aluminijevega oksida. V tej polikristalni obliki so kisikovi ioni organizirani heksagonalno, tesno zloženi, in zapolnjujejo dve tretjini vseh oktaedričnih vrzeli. Aluminij kaže tudi metastabilnost v kubičnih fazah g in e, monoklinski fazi k in ortorombični fazi d, ki se pri povišanih temperaturah vrnejo nazaj v stabilno heksagonalno fazo alfa.

Čisti aluminijev oksid se veliko uporablja v industriji in se običajno dobavlja v obliki natrijevega aluminata s formulo NaAlO. Ta material se pridobiva s praženjem boksita pri visokih temperaturah, pri čemer nastane natrijev aluminat, ki se nato zmelje v fin prah, preden se zmeša z vodo, da nastane suspenzija za nadaljnjo obdelavo.

Sodobni izdelki iz aluminijevega oksida so običajno med 85%-100%, zato je primeren za vžigalne svečke in podlage za mikročipe ter za visoko zmogljive keramične aplikacije, kot je premazovanje debelih plasti.

Čisti aluminijev oksid je boljši od porcelanske električne izolacije za vsaj dva velikostna reda pri sobnih temperaturah in za štiri reda pri visokih temperaturah ter je bistveno manj občutljiv na alkalne napade, ki povzročajo razgradnjo.

Mehanske lastnosti

Mehanske lastnosti aluminijevega oksida vključujejo njegovo trdnost ali odpornost na deformacije in napetosti. Zaradi te lastnosti je keramika iz aluminijevega oksida zelo odporna na udarce, saj ohrani svojo obliko in velikost tudi pod močnim pritiskom. Poleg tega ima aluminijev oksid visoko tlačno trdnost, ki omogoča prenašanje velikih obremenitev, ne da bi se poškodoval, njegova natezna in upogibna trdnost pa omogoča, da strukturne komponente in deli ostanejo nepoškodovani in funkcionalni.

Aluminij se ponaša z odličnimi mehanskimi lastnostmi, kot sta trpežnost in odpornost na kemične napade, zato je primeren za industrijsko in komercialno uporabo, vključno z elektrarnami in tovarnami. Ker je aluminijev oksid ena najtrdnejših inženirskih keramik, ki so danes na voljo, je odporen na ekstremne temperature ter obrabo, zato je odličen material za izdelavo izdelkov, kot so električni izolatorji, plinske laserske cevi, tesnilni obročki in laboratorijska oprema.

Zaradi svoje odpornosti na napade je aluminij tudi iskan material za izdelavo zaščitnih oklepov, zaradi česar je eden od najprimernejših materialov za proizvajalce vojaških vozil in osebja. Trdota in bioinertnost aluminijevega oksida sta pri tem še posebej uporabni; zaradi tega je primeren za izdelavo ležajev za kolčne proteze, bioničnih vsadkov, ojačitev tkiv in tkivnih lesorezov ter za uporabo v medicini, kot so ležaji za kolčne proteze. Poleg tega je aluminij zaradi svoje trpežnosti odlična izbira tudi za izdelavo balističnega oklepa.

Keramika iz aluminijevega oksida ima nizko akutno in kronično toksičnost, saj v kratkem času izpostavljenosti povzroči le manjše draženje kože, zato je idealen material za uporabo v medicinski opremi in zdravstvenih aplikacijah. Zaradi svoje nereaktivnosti z različnimi kemikalijami je aluminijasta keramika vse pogosteje uporabljena kot nadomestek za kirurške instrumente, kot je volframov karbid; vendar mora aluminij za optimalne zahteve po žilavosti v medicini med postopkom sintranja najprej prestati strogo regulacijo.