العلاقة بين مسامية الألومنيوم وكثافته

الألومنيوم (Al) هو معدن أبيض فضي اللون موجود بكثرة في جميع أنحاء الطبيعة ومادة خام لا غنى عنها في العديد من الصناعات المختلفة. يتميز الألومنيوم بالعديد من الخصائص الرائعة بما في ذلك القوة والليونة وقوة الشد والاستقرار الحراري ومقاومة التآكل والخصائص العازلة - وهي صفات تجعله أحد المعادن التي يتم اللجوء إليها في مجالاتها.

وتعتمد كثافة الألومينا على عوامل مثل المادة السليفة ودرجة حرارة التكليس وبرنامج التسخين بالإضافة إلى بنية المسام وحموضة/قاعدة السطح.

المسامية

تقيس المسامية نسبة المساحات الفارغة إلى حجمها الكلي؛ وعادةً ما يتم التعبير عنها كنسبة مئوية بين 0% و100%. يعد فهم كيفية ارتباط المسامية بالخصائص الأخرى مثل الكثافة أو النفاذية أمرًا حيويًا؛ فقد تتغير هذه الخصائص الثلاثة اعتمادًا على مسامية المادة.

قد يحتوي الجسم ذو المسامية العالية على جيوب هوائية أو فراغات أخرى في بنيته، مما يؤدي إلى اختلافات في الخواص الميكانيكية والحرارية. يمكن استخدام المسامية أيضاً لوصف مدى فعالية تخزين الصخور للسوائل مثل النفط أو الغاز الطبيعي تحت الأرض؛ وغالباً ما يستخدم الجيولوجيون ومهندسو المكامن مسامية الصخور مثل الحجر الرملي والكربونات عند تحديد كمية كل سائل يمكن تخزينه تحت الأرض. ويتطلب حفر الآبار ذات المسامية العالية أدوات مصممة خصيصًا لقياس المسامية قبل بدء الحفر وإنشاء عوازل إسمنتية بين حفرة البئر والصخور المحيطة بها لمنع تسرب الهيدروكربونات أو السوائل إلى خارج المواقع المخصصة لها.

إن مسامية الألومينا العالية تجعلها مادة ممتازة لدعم المحفزات الصناعية. وتتيح مساحة السطح الكبيرة حدوث تفاعلات مختلفة؛ على سبيل المثال، دعم المحفزات القائمة على الحديد أثناء تفاعلات هيدروكسيل الفينول مع بيروكسيد الهيدروجين التي تنتج مركبات عضوية قيّمة مثل الهيدروكينون والكاتيكول.

هذا التفاعل مفيد بشكل خاص لصناعة البترول لأنه يزيد من إنتاج النفط الخام ويقلل في الوقت نفسه من التلوث عن طريق تقليل النفايات الناتجة أثناء الإنتاج.

كجزء من إنتاج الألومينا، من الضروري مراعاة مساميتها أثناء التلبيد. فقد تتشكل منتجات متشققة ومسامية تعيق قوتها ونفاذيتها وخصائصها الفيزيائية الأخرى - وبالتالي فإن التحكم في هذه الخطوة بعناية سيؤدي إلى منتجات ألومينا عالية الجودة ومنخفضة المسامية في الوقت نفسه.

يتم الحصول على الألومينا عن طريق معالجة البوكسيت، وهو حجر لايتريت غني بالألومنيوم. وبعد استخلاصه، يخضع للتنقية من خلال عملية باير التي تتضمن إذابة أكسيده في الصودا الكاوية ثم تصفية أي محاليل باير مشبعة للحصول على مسحوق أبيض ناعم يشبه السكر ولكنه يمكن أن يخدش الأسطح الزجاجية؛ ويستخدم هذا المسحوق كمادة خام لمختلف المواد والمكونات الخزفية.

مساحة السطح المحددة

تُعد مساحة سطح الألومينا مقياسًا مهمًا يلعب دورًا أساسيًا في التطبيقات التي تنطوي على الامتزاز والحفز غير المتجانس والتفاعلات السطحية. وعلاوة على ذلك، تؤثر الموصلية الحرارية وانكماش السيراميك أثناء التكليس وبنية مساماته على أدائه؛ ومن ثم يجب على المصنعين أن يولوا عناية خاصة في التحكم في هذا المعيار من أجل إنتاج منتجات ألومينا عالية الجودة.

ومقارنةً بنظيرتها التقليدية، تُظهر الألومينا المنتجة بهذه الطريقة انتظامًا أكبر بكثير في توزيع المسام ومساحة سطح محددة أعلى من العمليات السابقة. علاوة على ذلك، يمكن أن يحافظ إنتاجها على مساحات سطح محددة مرضية حتى في درجات الحرارة المرتفعة.

تتواجد الألومينا بشكل طبيعي في صورة اكسيد الألومنيوم أو A-Al2O3، وهي مادة صلبة وخاملة كيميائياً وذات تفاعلية كيميائية منخفضة. ويمكن أيضًا إنتاج الألومينا من خلال المعالجة الحرارية للجيبوميت والبوهيميت مع هيدروكسيد الكالسيوم لإنتاج ألومينا مسامية أقل انضغاطًا من النوع g مع قيمة تقريبية لمساحة BET (N2) تبلغ 5 م2 جم-1؛ وتستخدم هذه المواد على نطاق واسع كدعامات حفازة.

يمكن إنتاج الألومينا المنشطة من خلال التسخين المتحكم فيه للألومينا المطفأة إلى درجات حرارة عالية، مما يدفع جزيئات الماء إلى الخارج عبر مستويات الضعف البنيوي إلى مسام محددة جيدًا بمتوسط قطر مسام يبلغ 4 نانومتر، مما ينتج ألومينا منشطة بمساحة BET (N2) تقريبية تتراوح بين 300-400 م2 غم2-1.

يتطلب التصنيع الفعال للألومينا إنتاجها بمساحة سطح BET عالية ومعلمات كثافة هيكلية عالية، حيث يضمن ذلك الأداء الأمثل في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل الحراريات والمواد الكاشطة وأغشية بطاريات الليثيوم وشمعات الإشعال ودعامات المحفزات وغيرها من التطبيقات. ولسوء الحظ، تزيد مساحة السطح والكثافة العالية من تكاليف الإنتاج بشكل كبير بينما تعتمد الخصائص على عوامل مثل عامل الترسيب وظروف التخليق وظروف التجفيف التي تؤثر على خصائصه.

وعلى هذا النحو، يحتاج مصنعو الألومينا إلى أدوات سريعة ودقيقة لتوصيف دفعات الألومينا. توفر أجهزة Anton Paar AutoFlow AutoFlow BET+ و Ultrapyc توصيفًا سريعًا لضمان مطابقة الدفعات للمواصفات بسرعة؛ وتتيح تقنية الامتزاز بروناور-إيميت-تيلر (BET) الخاصة بها قياسات دقيقة للامتزاز SSA وكثافة الهيكل العظمي لعينات الألومينا.

التوصيل الحراري

وتعتمد التوصيلية الحرارية للألومينا على تركيبها ومورفولوجيتها ووجود أو عدم وجود مراحل ثانوية. تميل عناصر السبائك إلى تقليل توصيلها الحراري بشكل كبير - وتحديداً الكروم > V > المنغنيز > Ti > Ti > Zr > Si كعوامل إضعاف مع تأثير أكبر للعناصر الأخيرة عند وجودها كمحاليل صلبة (بمعنى أن تركيزها يبقى ثابتاً بغض النظر عن درجة الحرارة) [6، 23].

وتوفر الألومينا مقاومة ممتازة للتآكل ضد مختلف الأحماض والأملاح بسبب الروابط الكيميائية الأيونية والتساهمية القوية بين Al3+ و O2-. وعلاوة على ذلك، تتميز الألومينا بدرجات انصهار وصلابة عالية؛ مما يجعلها قادرة على تحمل هجمات العديد من الأحماض غير العضوية بما في ذلك الأحماض الفسفورية والهيدروفلورية.

ونظرًا للروابط الأيونية القوية بين القلويات وأيونات الكلوريدات، فإنها لا توفر مقاومة كبيرة ضد التآكل من القواعد القوية وحمض الهيدروكلوريك.

يعد صقل الألومينا إلى سطح أملس للغاية أمرًا بسيطًا نسبيًا، مما يجعلها المادة المثالية لتطبيقات الطحن والطحن. وعلاوة على ذلك، فإن قدراته المتعددة الأشكال والأحجام في صنع الأشكال والأحجام تتيح استخدامه في العديد من العمليات الصناعية.

وإلى جانب خواصها الميكانيكية الممتازة، تتميز الألومينا أيضًا بخصائص عزل كهربائي ممتازة بالإضافة إلى انكسار عالي. ويمكنها تحمل درجات الحرارة العالية دون أن تتشقق تحت الضغط. وتستخدم الألومينا منذ فترة طويلة كمادة ركيزة في مصانع تكرير البترول لإنتاج المحولات الحفازة بينما تستخدم على نطاق واسع كعازل.

تتميز الألومينا بخصائص تبديد الحرارة الاستثنائية التي تجعلها ضرورية للعديد من التطبيقات الصناعية. ويمكنه تحمل درجات حرارة تصل إلى 900 درجة مئوية بينما يتميز بمعاملات تمدد منخفضة تجعل التعامل معه في درجات حرارة أعلى أسهل.

الألومينا مادة خاملة، مما يعني أنها لا تتفاعل مع المواد الكيميائية التي تلامسها، مما يحميها من التلف ويطيل عمر المنتج. وهذا يجعل الألومينا مثالية للأجهزة الطبية حيث أن الاستخدام أو الابتلاع على المدى الطويل لن يتسبب في تدهور المواد الكيميائية للركيزة الخزفية، بينما تظل غرسات الأسنان المصنوعة من هذه المادة غير متضررة من أي علاجات شائعة للأسنان.

مقاومة التآكل

يُعد الألومنيوم معدنًا غير تفاعلي، مما يعني أنه يمكن أن يتحمل البيئات القاسية والمواد الكيميائية دون أن يتعرّض سطحه أو هيكله للتلف. وعلاوة على ذلك، فإن مقاومته للحرارة تجعله مناسبًا للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. وعلاوةً على ذلك، تعمل الموصلية الكهربائية المنخفضة على عزله ضد تدفق التيار الكهربائي بينما تزداد قوته مع زيادة مستويات النقاء.

يوجد أكسيد الألومنيوم بشكل طبيعي كمركب عنصري موجود في البوكسيت، وهو مركب من الألومنيوم والأكسجين. وعند تعريضه للأكسجين، يشكل تفاعله ببطء طبقة أكسيد الألومنيوم الواقية؛ ومع مرور الوقت تشكل هذه المادة سبائك صلبة مع عناصر أخرى مثل المغنيسيوم والنحاس، مما يوفر القوة كمكون معدني من السبائك.

في عملية الصب، يتم تطبيق الألومينا كطبقة واقية على الركائز المعدنية أو غيرها من الركائز للمساعدة في منع التآكل عن طريق وقف تفاعلها مع بيئتها. ولا يقتصر الأمر على متانتها فحسب، بل إن طبيعتها الرقيقة تضمن عدم تداخلها مع الوظيفة الطبيعية للركيزة الموجودة تحتها.

ويمكن تحديد مقاومة الألومينا للتآكل من خلال بنيتها المجهرية، وتحديدًا توزيع جزيئات أكسيد الكالسيوم والحديد2أكسيد الحديد والمغنيسيوم وأكسيد الصوديوم. وعلاوة على ذلك، يلعب انفصال الشوائب إلى حدود الحبيبات أثناء عملية التلبيد دورًا مهمًا في مقاومته للتآكل، وكذلك السيليكات والمواد المضافة الأخرى المستخدمة كمساعدات تلبيد.

أثبتت الدراسات أن الأكسدة المسبقة يمكن أن تحسن مقاومة الألومينا للتآكل بشكل كبير. يُظهر السيراميك الذي يحتوي على 0.85 في المائة من وزن Al2O3 بنسبة 0.85 في المائة، المؤكسد مسبقًا في الهواء عند درجة حرارة 1050 درجة مئوية لمدة 4 ساعات مقاومة كبيرة للكلوريد المنصهر بسبب تكوين قشور كثيفة وموحدة، مما يوفر حماية من هجوم الأحماض المعدنية.

هناك طريقة أخرى لزيادة مقاومة الألومينا للتآكل وهي إضافة مكونات معدنية نبيلة، مثل المغنيسيوم. ويؤدي القيام بذلك إلى تقليل معدلات التفاعل الكاثودي وتعزيز مقاومة التآكل - ويصبح هذا التأثير أقوى عندما تتسارع سرعات التبريد بسرعة. وعلاوة على ذلك، فإن وجود كل من الكروم والنيكل يقلل من مخاطر التآكل الإجهادي في سيراميك الألومينا الخزفي.