أكسيد الألومنيوم، المعروف أيضًا باسم Alumina Al2o3، وتطبيقاته

الألومينا هي مادة خاملة كيميائياً وتتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل، مما يجعلها مادة مناسبة للتطبيقات الطبية مثل تقوية الأنسجة والأطراف الصناعية ومحامل استبدال مفصل الورك. ونظراً لصلابتها وخمولها الحيوي، تُعد هذه المادة المتوافقة حيوياً خياراً ممتازاً.

تتميز الألومينا بمجموعة رائعة من الخصائص بسبب تركيبها البلوري. وهذا يسمح بتشكيلها في منتجات خزفية متنوعة عالية التقنية لاستخدامها في الصناعة أو تصنيع السلع الاستهلاكية.

الخمول الكيميائي

أكسيد الألومنيوم (الألومينا al2o3) هو مركب خامل وعديم الرائحة يوجد بشكل طبيعي في التركيبات البلورية للألومنيوم والبوكسيت. وللألومينا العديد من التطبيقات المعززة للحياة في العلوم الطبية والحرب الحديثة؛ بالإضافة إلى أنه يُستخدم كمكون لا يقدر بثمن في صناعة الياقوت والياقوت الأزرق بألوانه الحمراء/ الزرقاء العميقة بسبب شوائب الكروم الموجودة بداخله. وتُستخدم الأشكال النقية من هذا المركب كمواد حشو في إنتاج البلاستيك/الطوب بالإضافة إلى كونه مادة كاشطة لإنتاج ورق الصنفرة - وهو بمثابة بدائل منخفضة التكلفة للماس الصناعي.

ونظراً لارتفاع درجات انصهاره وغليانه، فإن الألومينا تُعد عازلاً كهربائياً ممتازاً مع انخفاض قوة التبديد والعزل الكهربائي، مما يجعلها مناسبة لشمعات الإشعال وحزم الدوائر المتكاملة والمكونات الكهربائية الأخرى التي تحتاج إلى مستويات عالية من الحماية ضد تدفق التيار والحرارة والاهتزاز. وعلاوة على ذلك، فإن خصائص العزل الحراري التي يتميز بها تجعله مناسبًا أيضًا للأفران أو معدات التدفئة الصناعية.

ونظرًا لخمولها الكيميائي، وجدت الألومينا العديد من الاستخدامات الطبية، بدءًا من زراعة العظام والأسنان إلى طلاء الأدوات الجراحية والطلاء. يمكن استخدام الألومينا أيضًا كمادة قطب كهربائي في البطاريات حيث أن جزيئات الليثيوم تغطيها بشكل إيجابي؛ كما أن صلابتها وانعدام رائحتها وخمولها البيولوجي يجعلها مثالية للمعدات الواقية مثل الدروع الواقية للبدن والزجاج المضاد للرصاص.

يمكن إنتاج الألومينا البيضاء إما من خلال الانصهار المباشر للبوكسيت في فرن هيغنز مع التبريد بالماء أو من خلال عملية باير التي تتضمن إذابة البوهيميت والجيبايت والدياسبور في الصودا الكاوية قبل استخلاص الألومينا من الشوائب بالصودا الكاوية وترسيب محلول ألومينات الصوديوم لإنتاج بطانات حرارية للأفران الصناعية وحبيبات ورق الصنفرة وعجلات الطحن.

يمكن العثور على الألومينا في عمليات التصنيع المختلفة لصنع المواد الكيميائية مثل الفينول والأسيتون والتولوين والبوتيرات والكومين؛ وتستخدم كمحفز في تفاعلات التخليق العضوي؛ وتستخدم لامتصاص المواد العضوية وغير العضوية بما في ذلك المعادن الثقيلة؛ وهي فعالة في تصفية المركبات العضوية المتطايرة من إمدادات المياه؛ ولكن لا ينبغي أن تلامس الجلد أو العينين مباشرة لأن ذلك قد يسبب تهيجاً خطيراً؛ وفي أي وقت يحدث ذلك يجب غسلها فوراً باستخدام الماء الجاري وطلب العناية الطبية في أقرب وقت ممكن.

العزل الكهربائي

تتميز الألومينا بقيمة عزل كهربائي ممتازة، مما يجعلها مكونًا أساسيًا في العديد من التطبيقات. ويشمل ذلك توفير ركائز للوحات الدوائر الكهربائية التي تحميها من التفاعل بين المكونات المكونة لها؛ وحماية الأفراد والمعدات من تسرب الكهرباء العرضي إلى مناطق غير مقصودة، ومنع تسرب الكهرباء دون علم إلى مناطق تشكل تهديدات محتملة للصحة والسلامة.

يمكن تعزيز خصائص الألومينا العازلة عن طريق طلائها بجزيئات الزركونيا أو شعيرات كربيد السيليكون، وبإضافة كميات صغيرة من المغنيسيا. وغالبًا ما يستخدم مسحوق الألومينا في صقل الأحجار الكريمة مثل الياقوت والياقوت والزمرد نظرًا لقوة سطحه؛ وتشمل التطبيقات الأخرى تصنيع أدوات القطع الصناعية وكذلك إنتاج الحراريات والسيراميك.

ومن الخصائص البارزة الأخرى التي تجعل من التيتانيوم مادة لا تُقدّر بثمن في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية مثل الأفران الصناعية وعناصر التسخين. وعلاوةً على ذلك، يُستخدم التيتانيوم كمادة طلاء لأصباغ التيتانيوم بينما يُستخدم كمثبطات للحريق أو كمانعات للدخان.

يمكن للألومينا أن تجمع بين نقاوتها العالية وخصائصها الميكانيكية المتميزة لصنع سيراميك تقني متقدم، مما يجعل من الممكن استخدامات متقدمة في مكونات مثل أدوات التصنيع وعجلات القطع والطحن ودوافع المضخات المقاومة للتآكل وأغلفة المزدوجات الحرارية ومواد كاشطة من الألومينا.

السيراميك مناسب أيضًا للبيئات ذات درجات الحرارة العالية والبيئات المسببة للتآكل مثل تلك الموجودة في الأفران والأفران، مثل تلك التي تواجهها عند تسخين منتجات الصلب في فرن صهر الحديد. توفر شركة International Syalons ألواح سيراميك الألومينا المصممة خصيصًا لاستخدامها في تبطين خطوط الوقود في محطات الطاقة التي تعمل بالفحم كدرع واقٍ من التآكل ضد مناطق التآكل العالية التي تحدث بسبب التآكل.

الألومينا هي مادة قابلة للتكيف، ويمكن تشكيلها وربطها باستخدام عمليات دمج وتلبيد مختلفة، مثل تقنيات الربط أو التشكيل لإنتاج أشكال شبه صافية مع تحكم محكم في قياس حبيباتها. تُعد الألومينا مادة ركيزة ممتازة للدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون على الياقوت لأنها تعمل كحاجز نفقي في أجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل (SQUIDs). كما تتميز الألومينا أيضاً بمستويات تحمل عالية للحرارة حيث يسهل تشكيلها آلياً وأرضياً. وعلاوة على ذلك، فهي تتميز بخمول كيميائي ممتاز بالإضافة إلى مقاومتها للمشاكل المتعلقة بالتآكل.

التوصيل الحراري

الألومنيوم موصل حراري استثنائي، مما يجعله المادة المثالية لعزل الأسطح المعرضة لدرجات حرارة عالية. وكثيراً ما يستخدم سيراميك الألومينا كبطانات للأفران. كما أن صلابتها العالية ومقاومتها للتآكل تجعلها جذابة كحلقات مانعة للتسرب للمحامل؛ ومقاومتها للتآكل مثالية لعمليات التعدين وكذلك طلاء الدروع للمركبات العسكرية والأفراد العسكريين.

الألومينا مادة قوية للغاية ويمكن تشكيلها في أي شكل يمكن تخيله تقريبًا، وتتميز بقوة شد وصلابة قوية لعمليات الطحن والقطع والحفر، بالإضافة إلى تحملها للظروف القاسية مثل الهجوم الكيميائي بالضغط الحراري - مما يجعلها مناسبة لمكونات الضغط العالي في صناعات النفط والغاز ومنصات التآكل للآلات.

تُستخدم الخصائص الحرارية للألومينا في تصنيع السيراميك والمواد المتقدمة الأخرى، بما في ذلك الألومينا الشفافة التي تستخدم على نطاق واسع لإنتاج مصابيح الصوديوم عالية الضغط ونوافذ الكشف بالأشعة تحت الحمراء. كما تُستخدم الألومينا أيضًا كعازل كهربائي ممتاز مع فقدان عازل كهربائي منخفض؛ كما أن درجة انصهارها العالية ومقاومتها للصدمات الحرارية تجعلها مناسبة للبوتقات المختبرية والملاط والمدقات المستخدمة في طحن المواد الكيميائية في المختبرات، وكذلك طلاء أدوات الكربيد لزيادة طول العمر والأداء.

وقد أثبتت الدراسات أن الألومينا متوافقة حيويًا بتركيزات تصل إلى 7 ميلي مولار في مياه الشرب (فيمريت وآخرون، 1997) بسبب التفاعلات الكهروستاتيكية بين جسيمات الألومينا الموجبة الشحنة وخلايا البكتيريا السالبة الشحنة، وجسور البوليمر بين الجسيمات الموجبة الشحنة ومكونات الخلايا. وتعزز قوة الارتباط هذه تكوين جسور البوليمر بين الجسيمات ومكونات الخلايا.

تُظهر تجارب الطفرات في المختبر باستخدام الخلايا الليفية لرئة الهامستر V79 أن الألومنيوم يسبب انحرافات كروموسومية سريعة في الخلايا الظهارية الثديية للخلايا الليفية لرئة الهامستر V79. وقد تم تصميم التجربة وفقًا لبروتوكولات منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية (OECD) لاختبار السمية الجينية، بما في ذلك الجرعات المتعددة، وفترتين للحضانة، وأحجام عينات كبيرة وإحصاءات دقيقة. تشير هذه النتائج إلى أن تأثيرات الألومنيوم تنجم في الغالب عن التصاقات الحمض النووي بدلاً من الطفرات أو التغيرات في التعبير الجيني.

الصلابة

تمكّن صلابة سيراميك الألومينا من الأداء الجيد في ظل الظروف الصناعية الصعبة، مما يجعلها شائعة الاستخدام كمواد كاشطة وملمعة في عمليات الطحن والصقل لمواد مثل المعادن والزجاج. كما أن مقاومة الألومينا للصدمات الحرارية والصدمات تحمي الآلات والمعدات من التلف، بينما قدرتها على تحمل درجات الحرارة المرتفعة تجعلها مناسبة كعازل كهربائي في بيئات المعالجة الصعبة.

تتميز الألومينا al2o3 عن غيرها من المواد الأخرى بسبب تركيبها البلوري الفريد من نوعه: يتم ترتيب أيونات الألومنيوم بشكل ثماني الأوجه حول أيونات الأكسجين في ترتيب ثماني الأوجه، مما يخلق شبكة كثيفة للغاية من البلورات التي تمنح هذه المادة صلابة استثنائية. وعلاوة على ذلك، يساهم هذا الترتيب الفريد أيضاً في خصائصه الرائعة مثل المقاومة الفائقة للتآكل والثبات الكيميائي.

تتميز الألومينا بمقاومة عالية للمواد الكيميائية ودرجات الحرارة القصوى، حيث تتحمل البيئات الحمضية دون أن تتحلل أو تتفاعل - حتى عند ملامستها للسوائل مثل الماء. إن ثبات الألومينا يمكّنها من تحمل بيئات المعالجة المسببة للتآكل مثل تلك الموجودة في الأفران والأفران على خطوط الإنتاج الصعبة دون أن تتحلل أو تتفاعل، وتبقى قوية وصلبة حتى في ظل ظروف المعالجة القاسية مثل هذه.

يأتي أكسيد الألومنيوم في أشكال وهياكل مختلفة. والألومينا ألفا (a-Al2O3) الأكثر شيوعًا للاستخدام في الحراريات هو الألومينا ألفا (a-Al2O3) الذي يتميز ببلورات سداسية الشكل عديمة اللون بكثافة 3.9 جم/سم3 وصلابة 9 موس. يمكن أيضًا العثور على ألومينا جاما وبيتا (a- وb-Al2O3) وكذلك الأشكال المنشطة والمميهة.

عند اختيار مادة الألومينا، ينبغي للمرء أن يأخذ في الاعتبار خمولها الكيميائي ودرجة حرارتها الحرارية وموصلية وصلابة استخدامها المقصود. عند التفكير في ثاني أكسيد الزركونيوم (ZrO2) لاستخدامه كبديل للألومينا، يجب أن يلتزم بلوائح إدارة السلامة والصحة المهنية للمناولة الآمنة لأن درجة حرارته الحرارية المنخفضة تجعله أقل ملاءمة لبيئات المعالجة ذات درجة الحرارة العالية بالإضافة إلى احتمال تأكسده بسهولة مما يجعله غير مناسب لبعض التطبيقات.