Specifična toplotna kapaciteta aluminijevega oksida

Inženirska keramika iz aluminijevega oksida je zaradi svoje odlične zmogljivosti po ugodni ceni med najbolj uporabljanimi. Aluminij se ponaša z izjemno specifično toplotno kapaciteto in je na voljo v različnih razredih.

V tem članku je raziskan vpliv nanodelcev aluminijevega oksida (ND) na posamezne koeficiente hidrofobnosti (SHC) nano tekočin na osnovi staljene soli. Eksperimentalni podatki so pokazali, da se SHC zmanjšujejo z zmanjševanjem velikosti in koncentracije NP; poleg tega so bile predlagane tudi teoretične napovedi, ki podpirajo te eksperimentalne rezultate.

Termodinamične lastnosti

Aluminij je ena od najpogosteje uporabljanih tehničnih keramik, znana po svojih odličnih toplotnih lastnostih, odpornosti proti koroziji in obrabi. Drobnozrnati tehnični aluminijev oksid ima večjo mehansko trdnost in tlačno trdnost kot katera koli druga oksidna keramika; poleg tega se ponaša z nizko dielektrično konstanto in kemijsko inertnostjo, zaradi česar je primeren za težka okolja.

Njegove termodinamične lastnosti so še vedno slabo znane; na primer zaradi visoke specifične toplote ga je težko hitro ohladiti. Zato je pri uporabi aluminijevega oksida v različnih aplikacijah ključnega pomena razumevanje njegovih termodinamičnih lastnosti; eden od načinov je merjenje entropije standardnega stanja in Gibbsove proste energije, kot je prikazano spodaj.

S termodinamičnimi podatki o aluminijevem oksidu lahko izračunamo njegovo entalpijo uparjanja in entropijo kristalizacije, kar zagotavlja neprecenljive informacije pri načrtovanju procesov, ki zahtevajo ta material, ali primerjanju njegove učinkovitosti med različnimi izdelki. Entalpija izhlapevanja vzorcev aluminijevega oksida je odvisna od njihove temperature, tlaka in gostote - določimo jo lahko iz temperaturne odvisnosti njegovega parnega tlaka in entalpije, ki ju dobimo z reševanjem Poissonove enačbe v valjastih volumnih za vzorce s podobno geometrijo, kot je tukaj.

To formulo lahko uporabite za izračun entalpije uparjanja trdnih vzorcev na podlagi podatkov o temperaturi in tlaku, vendar ne pozabite, da imajo lahko vzorci z veliko površino večjo entalpijo uparjanja kot njihovi volumski ekvivalenti.

Pri izračunu entalpije izhlapevanja je treba upoštevati temperaturo, saj je njena vrednost odvisna od temperaturnih nihanj; njena vrednost namreč narašča z višjo temperaturo vzorca. Zato je ključnega pomena, da se meritve specifične toplote in entalpije izvajajo pri podobnih temperaturah.

Termodinamične podatke o aluminijevem oksidu lahko pridobimo z uporabo adiabatnega kalorimetra ali tako, da kapljico spustimo v Bunsenov ledeni kalorimeter in izmerimo njeno entropijo v standardnem stanju s katero koli od tehnik. Kot je prikazano na sliki 4, se entropija standardnega stanja povečuje z naraščajočo temperaturo in doseže najvišjo vrednost pri 14 K.

Toplotna prevodnost

Toplotna prevodnost meri, kako zlahka toplota prehaja skozi materiale. To lastnost določajo interakcije med molekulami v materialu in njihovo gibanje v njem, njegova struktura in razporeditev, ki vplivata na toplotno prevodnost, ter uporabljene merilne tehnike. Aluminij ima eno najvišjih toplotnih prevodnosti med tehnično keramiko, zato je odličen kandidat za uporabo v abrazivih in ognjevzdržnih materialih.

Toplotna prevodnost aluminijevega oksida je odvisna od njegove molekularne razporeditve in dolžine poti, po kateri mora toplota prehajati, kar pa je odvisno od temperature. Pri nižjih temperaturah je prevodnost običajno večja, medtem ko se lahko njegova struktura z manipulacijo spremeni; na primer nečistoče v aluminijevem oksidu lahko vplivajo na njegovo prevodnost, saj povzročajo nižje vrednosti kot čiste oblike.

Pri toplotnih lastnostih aluminijevega oksida ima pomembno vlogo tudi velikost; manjša zrnca imajo manjšo toplotno prevodnost kot večja zrnca, saj imajo večjo površino, ki medsebojno deluje in izmenjuje energijo z okolico. Večja zrnca pa ostanejo izolirana in si med seboj ne izmenjujejo zlahka energije.

Na toplotno prevodnost lahko vplivajo atomske in molekularne interakcije ter gostota materiala. Kovinska zlitina ima manjšo toplotno prevodnost zaradi vibracij atomov v trdni snovi, ki zmanjšujejo srednjo prosto pot prostih elektronov v njej, zaradi česar ti učinkoviteje izgubljajo toplotno energijo kot njeni čisti kovinski kolegi.

Specifična toplotna kapaciteta aluminijevega oksida - ali koliko energije potrebuje za povečanje temperature za določeno vrednost - vpliva na njegovo toplotno prevodnost, saj večja specifična toplota pomeni, da potrebuje več energije za povečanje temperature.

Specifična toplotna kapaciteta aluminijevega oksida se lahko zelo razlikuje glede na temperaturo kalcinacije in vsebnost vode v materialu, pri čemer ima korund (a-Al2O3) najvišjo specifično toplotno kapaciteto med vsemi oblikami. Faze G-Al2O3 imajo običajno nižje specifične toplotne kapacitete v primerjavi s svojimi vrstniki, kar se odraža v njihovi nižji toplotni prevodnosti.

Odpornost na korozijo

Aluminij je trpežen tehnični keramični material z odlično odpornostjo proti koroziji, toplotno stabilnostjo in temperaturno odpornostjo. Poleg tega je aluminijev oksid na voljo v različnih oblikah, velikostih in razredih, ki ustrezajo specifičnim potrebam uporabe.

Baker ali druge kovine lahko pomagajo izboljšati korozijsko odpornost aluminijevega oksida z dodajanjem v matriko, kar pomaga zmanjšati kristalne strukture in pospešuje nastanek več zaščitnih plasti. Za dodatno izboljšanje korozijske odpornosti se lahko dodajo tudi niobij, titan in vanadij.

Drug način za povečanje korozijske odpornosti aluminijevega oksida je njegova vključitev v druge zlitine. V kombinaciji z drugimi elementi, kot sta nikelj ali titan, imajo avstenitna nerjavna jekla (AFA SS), ki tvorijo aluminijev oksid, višje temperaturne zmogljivosti kot v samostojnem stanju [1]. Tako lahko na primer prenesejo temperature, ki presegajo 750 stopinj C, ne da bi to vplivalo na življenjsko dobo pri porušitvi zaradi lezenja [1].

Niobij lahko znatno poveča korozijsko odpornost aluminijevega oksida v agresivnih okoljih. Ko ga dodamo matrici aluminijevega oksida, tvori niobijev karbid (NbC), ki je odporen na visoke temperature. Poleg tega dodajanje niobija pomaga stabilizirati mikrostrukturo aluminijevega oksida in preprečiti morebitne poškodbe med sintranjem.

Ta metoda se lahko uporablja za izdelavo zlitin na osnovi aluminijevega oksida z želenimi lastnostmi za različne aplikacije, vključno z avtomobilsko industrijo, kemično predelavo, elektrotehniko in elektroniko.

Aluminij se je izkazal za zelo odpornega proti koroziji, ki jo povzročajo korozivne vodne raztopine, saj je odporen proti žveplovi in fosforjevi kislini ter sulfatnim in kloridnim solem, hkrati pa je odporen na organske kisline, kot je citronska kislina. Zaradi teh lastnosti je aluminijev oksid idealen material za proizvodnjo plinastega vodikovega goriva; poleg tega se pogosto uporablja v postopkih pridobivanja superkritične vode kot odličen izbirni material.

Tališče

Tališča ali prehodne temperature snovi so sestavni del proizvodnih aplikacij, saj določajo, ali se trdne snovi začnejo pretvarjati iz trdne v tekočo obliko. Aluminij ima šesto najvišje tališče med kovinami pri 1220 F do 660 C; to visoko tališče aluminiju omogoča, da prenese težke pogoje, ne da bi se deformiral ali postal krhek.

Aluminij ima izjemno visoko tališče zaradi energije, ki je potrebna za razpad kovalentnih vezi med atomi aluminija in kisika, kar vodi do izjemno visokega tališča. To pomeni, da pri zelo visokih temperaturah ohrani svojo strukturno celovitost, zato je odličen ognjevzdržni material, ki se uporablja za oblaganje peči in kurišč.

Pri taljenju aluminijevega oksida nastane bela staljena kovina z izjemno gladko strukturo, ki je idealna za oblikovanje v različne oblike in odlivanje v velike plošče ali bloke za različne namene. Vendar pa je za postopek taljenja aluminija potrebno obsežno znanje, saj lahko kemične nečistoče v talini spremenijo njegove lastnosti, vključno s tališčem. Zato je ključnega pomena, da se proizvodni procesi skrbno upravljajo, hkrati pa se spremlja kakovost taline, da se ugotovijo nečistoče, preden pride do litja.

Kemične nečistoče lahko vplivajo na tališče aluminijevega oksida, njegovo tališče pa se lahko spreminja tudi zaradi njegove sestave. Dejavniki, ki vplivajo na njegovo tališče, vključujejo odstotek aluminijevega oksida, delež faze g in vsebnost poroznosti; dodajanje teh dodatnih sestavin lahko znatno poveča njegovo tališče v primerjavi z uporabo čistega aluminijevega oksida kot materiala za proizvodnjo.

Toplotna kapaciteta aluminijevega oksida je poleg razlik v njegovih termodinamičnih in energetskih lastnostih odvisna tudi od načina izdelave. Poskusi so pokazali, da se lahko funkcije toplotne kapacitete vzorcev, izdelanih iz različnih aluminijevih alkoksidov, kalciniranih pri različnih končnih temperaturah, bistveno razlikujejo, kar kaže na njihovo zapletenost kot meritev in tudi na pomembnost izvajanja strogih kalorimetričnih postopkov med izdelavo.