السعة الحرارية للألومينا

تشير السعة الحرارية إلى الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة المادة بدرجة مئوية واحدة وتقاس بالجول لكل كيلوغرام من المادة.

تقدم CoorsTek العديد من منتجات الألومينا ذات المقاومة الاستثنائية للصدمات الحرارية. تُعد Macor مادة متقدمة تقدم أداءً متميزًا في ظروف درجات الحرارة العالية.

درجة الحرارة

تشير السعة الحرارية إلى الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة مادة ما بدرجة مئوية واحدة ويمكن التعبير عنها أيضًا بسعتها الحرارية النوعية أو الطاقة لكل وحدة كتلة من المادة. وتتمتع المعادن عادةً بسعات حرارية نوعية أعلى من البوليمرات أو السيراميك وتميل إلى التمتع بنقاط انصهار كبيرة مع الحد الأدنى من التمدد الحراري - وهي خصائص تجعلها مناسبة للعديد من الاستخدامات الصناعية.

وتبلغ الحرارة النوعية للألومينا حوالي 900 جول/كجم درجة مئوية، وهي أعلى من العديد من المعادن مثل النحاس والفضة بسبب ذراتها المكدسة بكثافة والتي تجعل التوصيل سهلاً. ومن ناحية أخرى، فإن حرارتها النوعية أقل من العديد من المعادن مثل الرمل أو الحجر الجيري لأن ذراتها الأقل تكتلًا تجعل انتقال الحرارة صعبًا.

الألومينا هو عازل ويمكن أن يساعد على خفض درجة الحرارة في أي منطقة عمل، ولكن لاستخدامه بأمان يجب التعامل معه بعناية مع وضع المعدات المناسبة واحتياطات السلامة. عند وضعه بالقرب من الأسطح الساخنة يجب إبعاده عنها لحماية المستخدمين، كما يجب عدم لمس أي عنصر تسخين عند تشغيله أبداً، وفي حالة حدوث حروق جلدية يجب شطفه فوراً باستخدام الماء البارد للمساعدة في تهدئة المناطق المصابة.

تؤثر عوامل عديدة على الحرارة النوعية للألومينا، بما في ذلك جزء من الطور g والمسامية. مع زيادة درجة الحرارة، تنخفض حرارته النوعية، مما يؤدي إلى انخفاض التوصيل الحراري والانتشارية الحرارية نتيجة للتحول الطوري بين الطور A والطور g.

نظرًا لأن الحرارة النوعية للألومينا تعتمد على درجة حرارة التكليس، أجرت العديد من المجموعات البحثية دراسات شملت عينات مكلسة في درجات حرارة مختلفة لاستكشاف كيفية تأثير درجة الحرارة على خواصها الحرارية وفي النهاية على الحرارة النوعية للألومينا وغيرها من المعلمات الديناميكية الحرارية. ونتيجة لذلك، أجرت العديد من المجموعات البحثية دراسات مكثفة على عينات مكلسة في درجات حرارة مختلفة لفهم تأثيرها على الخواص الحرارية والحرارة النوعية بشكل أفضل. وقد أدى ذلك إلى فهم أفضل لتأثير درجة الحرارة على الحرارة النوعية وغيرها من البارامترات الديناميكية الحرارية للحرارة النوعية وغيرها من البارامترات الديناميكية الحرارية بشكل عام.

الضغط

الألومينا (Al2O3) هي مادة خزفية هندسية تُستخدم على نطاق واسع نظرًا لأدائها الممتاز بتكلفة معقولة. تتميز الألومينا بقوة ميكانيكية ممتازة وقوة انضغاطية وصلابة ومقاومة للتآكل والتآكل بالإضافة إلى معدلات تمدد حراري منخفضة؛ وعلاوة على ذلك فهي خاملة كيميائياً ومتوافقة حيوياً مع معدلات تمدد حراري منخفضة أيضاً. وتعني السعة الحرارية النوعية للألومينا أنها تمتص كميات كبيرة من الطاقة في أي درجة حرارة؛ بالإضافة إلى أنها تتمتع بموصلية حرارية عالية نسبياً تتراوح بين 30 - 35 واط/م كغم مما يجعلها مناسبة للاستخدامات المتعددة في الصناعة.

تعتمد السعة الحرارية النوعية للألومينا على درجة الحرارة والضغط وعدد الذرات لكل وحدة حجم. ويمكن التعبير عن معادلة السعة الحرارية النوعية للألومينا على الصورة Cp = H/N حيث H هي الحرارة الكامنة للتبخير، وN هي عدد الذرات في العينة وT هي درجة الحرارة؛ وباستخدام هذا النهج، يقدر نموذج ديبي الحرارة النوعية عند حجم ودرجة حرارة ثابتين.

وبالمقارنة مع الجليد السداسي، فإن الألومينا لديها قدرة أقل على امتصاص الماء في درجات حرارة أعلى بسبب السطح الأكثر خشونة والفراغات البينية الأكبر على أيوناتها مقارنة بتلك الموجودة على الجليد السداسي، حيث تستغرق وقتًا أطول لانتشارها من داخلها إلى سطحها ثم العودة مرة أخرى. ولكن عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة التحلل للألومينا، يمكن للماء أن يمتص الماء بسرعة في مسامه.

ولتحديد السعة الحرارية النوعية للألومينا، من الأفضل استخدام سخان غمر كهربائي. وللقيام بذلك، ضع مقياس حرارة في الفتحة المركزية للكتلة، ثم قم بتوصيل مقياس التيار الكهربائي والفولتميتر، وشغِّل السخان، واتركه يسخن الكتلة لمدة 10 دقائق ثم قم بقياس درجة حرارتها وسجل النتائج؛ واستخدم معادلة Cp = H/N لحساب السعة الحرارية النوعية للمادة.

قد تؤدي إضافة الجسيمات النانوية إلى زيادة التوصيل الحراري للسوائل، ومع ذلك لم يتم التوصل إلى توافق في الآراء بشأن تأثيرها على السعة الحرارية النوعية للسوائل. ونتيجة لذلك، يجب على المهندسين دراسة كيفية تغير السعة الحرارية النوعية للألومينا مع درجة الحرارة من أجل تصميم أنظمة تعمل بفعالية في ظل ظروف مختلفة وتقليل مخاطر التدرج الحراري في تطبيقات التبريد/التسخين.

المسامية

الألومينا مادة خزفية ذات قدرة حرارية نوعية عالية. كما أن ثباتها الكيميائي والحراري يجعلها شائعة الاستخدام في مختلف الصناعات، في حين أن مقاومتها للعديد من المواد الكيميائية والكواشف تجعلها مقاومة. تتميز الألومينا أيضًا بموصلية حرارية ممتازة مما يجعلها مناسبة لتطبيقات العزل؛ وتعتمد الموصلية على عوامل البنية المجهرية والمسامية حيث أن جزءًا كبيرًا من الطور g ذو المسامية المنخفضة له سعة حرارية نوعية أعلى من غيره؛ وبالتالي من الضروري تحديد درجة حرارة التلبيد قبل استخدامه في أي تطبيق أو مشروع.

تُعرف طلاءات الألومينا المرشوشة بالبلازما الهوائية (APS) على نطاق واسع بمقاومتها للدراجات الحرارية في درجات الحرارة المنخفضة، ومع ذلك فهي عرضة للتشقق وانتشار التشققات بسبب بنيتها المعقدة وخشونة واجهتها. وقد بحثت العديد من الدراسات هذه الجوانب؛ ومع ذلك، ركزت معظمها على العينات المسطحة أو الخشونة المصممة رياضيًا بدلاً من أشكال الطلاء الحقيقية.

تبحث هذه الدراسة في تأثير درجات حرارة التلبيد المختلفة على السعة الحرارية النوعية والتوصيل الحراري لدرجتين تجاريتين من الألومينا بكثافة سائبة متغيرة، باستخدام درجتين تجاريتين كدراستين للحالة. تُظهر نتائج التوصيف وجود علاقة قوية بين سعة تخزين الطاقة وجزء من محتوى الطور g بالإضافة إلى المسامية لزيادة سعة تخزين الطاقة والخصائص الميكانيكية للألومينا.

عند درجة حرارة 900 درجة مئوية، تم اختبار عينات الألومينا بنسب وكثافات مختلفة من المراحل g والمسامية لتقييم أدائها. أظهرت العينات التي تحتوي على نسب أعلى من مراحل g ومسامية أقل سعات حرارية محددة أقل على أساس الكتلة وكذلك الموصلات الحرارية من تلك التي تحتوي على جزء أقل من مراحل g ومسامية أعلى.

شرعت هذه الدراسة في إنشاء ألومينا عالية المسامية باستخدام طريقة هلام الطين (GS). وأثبتت النتائج أن متوسط حجم المسام في رغاوي الألومينا المنتجة يبلغ 1.2 مم على الرغم من كونها خلايا مغلقة؛ وتظهر في الشكل 4 صورة لبنية الخلية لكثافات سائبة مختلفة. وللتأكد من متوسط حجم المسام هذا، تم أخذ قياسات سمك الجدار وقطره كجزء من تحديدها.

التفاعل

الألومينا (يُشار إليها أيضًا باسم الألومينيا) هي سيراميك أكسيد ذو عزل كهربائي ممتاز وخصائص ميكانيكية مثل الصلابة ومقاومة التآكل، إلى جانب التوصيل الحراري العالي نسبيًا بالنسبة للسيراميك الهندسي. وتتوفر مجموعة متنوعة من أحجام وأشكال الجسيمات، مما يسمح بصناعة المواد القابلة للصب والحراريات والمنتجات المبثوقة منه. كما تتميز الألومينا أيضاً بخصائص مقاومة قوية للتآكل وصلابة شديدة؛ مما يجعلها شائعة الاستخدام في صناعة معدن الألومنيوم أو كمادة كاشطة بالإضافة إلى استخدامها في تطبيقات السيراميك مثل إنتاج معدن الألومنيوم أو تطبيقات التصنيع مثل تلك الموجودة في تطبيقات السيراميك الأخرى مثل إنتاج الألومنيوم.

تُحدَّد تفاعلية الألومينا ذات السعة الحرارية من خلال كيمياء سطحها ووجود عيوب أو خلع في سطحها مثل الخلع. يمكن تعريف التفاعلية بأنها قدرتها على إطلاق الأيونات أو الإلكترونات من خلال تفاعلات الأكسدة؛ الألومينا شديدة التفاعل ولكن هذه التفاعلية محدودة بسبب وجود طبقة أكسيد واقية خاملة تحيط بها تمنع التفاعل المباشر مع الأكسجين المحيط؛ وهذا يسمح بتحويل الألومينا ذات السعة الحرارية إلى فلز الألومنيوم من خلال عملية هول-هيرولت.

ونظراً لخصائصه القوية في إطلاق الطاقة في تفاعلات الأكسدة، يمكن للألومينا أن تكون بمثابة مادة حيوية ممتازة في الوقود الصلب والوقود الدافع. ولزيادة تفاعليتها بشكل أكبر، يجب أن يحدث التنشيط المسبق بالمركبات العضوية أو غير العضوية أولاً لكي تعمل هذه المادة على النحو الأمثل. كما يمكن زيادة التفاعلية أيضًا من خلال المعالجة بالمحاليل الحمضية أو القاعدية؛ حيث تميل المحاليل الحمضية إلى جعل المواد أكثر تفاعلية بينما تميل المعالجات القاعدية إلى جعل الألومينا أكثر استقرارًا وأقل تفاعلية.

يمكن أن تؤدي إضافة النيتروجين إلى زيادة تفاعلية الألومينا، مما يوفر لها مزيدًا من ثبات الأكسيد ويقلل من معدل إطلاق الأيونات منها. وتكتسب هذه الخصائص قيمة خاصة عند استخدامها كركيزة للدوائر المتكاملة والأجهزة فائقة التوصيل مثل ترانزستورات الإلكترون الواحد وأجهزة التداخل الكمي. وبدلاً من ذلك، يمكن أيضًا تعزيز تفاعليته من خلال تكوين سيرميت مركب من الألومينا/الكروم يستخدم كمادة تبطين جدران في محطات الطاقة الشمسية المركزة نظرًا لخصائص مقاومة الزحف والصلابة والتفاعلية العالية من كلا العنصرين.