هل الألومينا موصل؟

الألومينا عبارة عن سيراميك هندسي يتميز بخصائص ميكانيكية ممتازة مثل القوة والانكسار والثبات الكيميائي. وعلاوة على ذلك، فإن خصائص التوصيل الحراري ومقاومته لدرجات الحرارة العالية تجعله مادة جذابة.

في درجات الحرارة المنخفضة، يحول الترابط الأيوني في الألومينا إلى عازل إلكتروني؛ ولكن في درجات الحرارة الأعلى يتحول إلى موصل أيوني.

التوصيلية

أكسيد الألومنيوم، الذي يشار إليه بشكل أكثر شيوعًا باسم الألومينا، هو مادة خزفية تقنية شديدة التحمل ذات تطبيقات عديدة تعزز الحياة وتثري المجتمع. ويحدث إنتاج الألومينا على نطاق صناعي من رواسب البوكسيت المعدنية التي تحدث بشكل طبيعي؛ مع خصائص فيزيائية وكيميائية وحرارية متنوعة.

الألومينا هي مادة متينة بشكل استثنائي، وتتميز بقوة ميكانيكية عالية وثبات كيميائي وتوصيل حراري - وهي صفات تجعلها مثالية للاستخدام في البيئات الصعبة حيث تصل درجات الحرارة إلى مستويات عالية للغاية. علاوة على ذلك، يضيف معامل التمدد الحراري المنخفض مستوى آخر من الحماية من الصدمات الحرارية.

تنبع الموصلية الكهربائية للألومينا من تركيبها المعدني؛ فجميع المعادن تُعد موصلات كهربائية ممتازة. وباعتباره رابع أكثر المعادن توصيلاً للكهرباء على مستوى العالم، فإن الألومينا تُعد مكونًا جذابًا في تطبيقات تصنيع الإلكترونيات والتغليف.

تتميز الألومينا بامتلاكها موصلية أيونية متميزة. ويتكون تركيبه من كاتيونات الألومنيوم Al3+ المحاطة بأنيونات الأكسجين O2- مما يخلق بنية شبكية ذات أنماط سداسية منتظمة ويوفر مساحة سطح واسعة لامتصاص الأيونات وترابطها - مما يؤدي إلى توصيل أيوني متفوق أكثر مما يمكن تحقيقه مع العديد من المواد الخزفية الأخرى.

تختلف الموصلية الكهربائية للألومينا باختلاف مستوى النقاء والإضافات المستخدمة، وهناك درجات مختلفة متاحة تتراوح بين الألومينا النقية من السلسلة 1000 وصولاً إلى السلسلة 8000 ذات الخصائص المحسنة مثل الموصلية المعززة (درجة EC ذات الموصلية الكهربائية الممتازة 61% IACS)؛ ومع ذلك لا يزال هذا أقل بكثير من موصلية النحاس (حوالي 385 وات/م ك.ك).

وتؤثر مستويات نقاء الألومينا على موصلية الألومينا وخصائصها الميكانيكية والحرارية، لذلك عادةً ما يقوم المصنعون بتصنيعها وفقًا لمعايير نقاء محددة. تقوم شركة سنترلاين بتصنيع ألومينا نقية بدرجة نقاء 99.5% حتى 98% متدرجة النقاء للتطبيقات المتخصصة؛ يرجى التواصل معنا بشأن متطلباتك حتى نتمكن من العثور على أفضل ما يناسبك.

درجة الحرارة

أكسيد الألومنيوم (Al2O3) هو سيراميك تقني شديد التحمل يستخدم في مجموعة من التطبيقات. ويتميز بالثبات الكيميائي ومقاومة درجات الحرارة العالية والخمول الحيوي؛ فضلاً عن مقاومته الجيدة للتآكل ضد المواد الكيميائية الحمضية والقلوية في درجات الحرارة المرتفعة. وعلاوة على ذلك، تُقارن الموصلية الحرارية بشكل إيجابي مع الجرافيت؛ مما يوفر خصائص عزل كهربائي فائقة؛ مما يجعل Al2O3 مادة ممتازة لحماية المزدوجات الحرارية عند أخذ قياسات درجات الحرارة العالية.

تُعد الألومينا خيارًا شائعًا للغاية من المواد للتطبيقات الصناعية نظرًا لقوتها الميكانيكية الفائقة ومقاومتها للتآكل ومستويات التآكل. خصائص مقاومة التآكل تجعل الألومينا مناسبة للإدخالات والمنتجات المقاومة للتآكل. وعلاوة على ذلك، تلعب خصائص العزل الكهربائي في درجات الحرارة العالية دورًا محوريًا في تطبيقات الهندسة الكهربائية مع درجات نقاء أعلى توفر مقاومة كهربائية متزايدة.

تنبع الخصائص المرغوبة للألومينا من الرابطة الذرية القوية بين معدن الألومنيوم وأيونات الأكسجين، مما يؤدي إلى خصائص المواد المرغوبة مثل درجة الانصهار العالية والصلابة والخصائص العازلة والحرارة. وتوجد الألومينا في أطوار بلورية متعددة تعود جميعها بشكل لا رجعة فيه إلى طور ألفا السداسي عند درجات حرارة مرتفعة - وهي حالة مفيدة للتطبيقات الهيكلية.

الألومينا هي مادة طبيعية وفيرة ولا تنضب وتوجد في أكثر من 15 في المائة من القشرة الأرضية، مما يجعلها متاحة بسهولة وبتكاليف معقولة وبكميات كبيرة. وتعتمد الخصائص الفيزيائية والكيميائية للألومينا على تركيبها المعدني ونقائها؛ فالمادة الأكثر تبلوراً تميل إلى أن تكون أقوى مع خصائص انكسار أعلى.

تصل الموصلية الكهربائية للألومينا إلى ذروتها عند 80 كلفن على عكس النحاس الذي يصل إلى ذروته عند 100 كلفن. ونظرًا لانخفاض الموصلية الحرارية، لا ينبغي إنشاء مسارات موصلة باستمرار في هذه المادة لأنها قد تُدخل ضوضاء في ملفات الالتقاط وتسبب مشاكل في ملفات الالتقاط.

تقيس التوصيلية الكهربائية معدل تحرك الإلكترونات الحرة عبر مادة ما. ويمكن تحديدها من خلال قياس درجة الحرارة والمقاومة للمجالات الكهربائية؛ وفي الألومينا تنشأ هذه الظاهرة في الألومينا بفعل الاهتزازات في شبكتها البلورية عند درجات الحرارة المرتفعة التي تمكّن الإلكترونات الحرة من التحرك بسهولة أكبر عبر شبكتها البلورية، وتقاس على شكل تيار. تعتمد توصيلية الألومينا على تركيبها المعدني وطريقة المعالجة المستخدمة.

الرطوبة

يعد محتوى الرطوبة في سيراميك الألومينا والمواد الأخرى أمرًا أساسيًا لخصائصها، حيث يؤثر على كل شيء بدءًا من تكوين البلورات والتشكل والتوصيل والتوصيل الكلي. تُعد أجهزة تحليل الرطوبة مثل جهاز تحليل تحديد الرطوبة AMH43 من شركة LECO Corporation طريقة دقيقة لقياس الرطوبة بهذه الطريقة؛ باستخدام موازين دقيقة وعمليات تجفيف بدرجة حرارة عالية وبرامج متقدمة توفر قدرات قياس دقيقة للرطوبة في المواد الخزفية بالإضافة إلى أشكال أخرى من تحليل المواد.

تتميز الألومينا بكثافة منخفضة بشكل استثنائي بالنسبة لسيراميك الأكسيد، مما يجعلها مادة ممتازة للتطبيقات الكهربائية. كما تتميز الألومينا أيضًا بمقاومة فائقة ضد التآكل والهجوم الكيميائي، مما يجعلها مناسبة للاستخدامات عالية الأداء مثل رياضة السيارات.

وعلى عكس المعادن الأخرى، لا تتفاعل الألومينا مع الأحماض. ومع ذلك، فإنه يتفاعل مع حمض الهيدروفلوريك وينتج كلوريد الألومنيوم؛ ومن ثم فإن مقاومته العالية للتآكل وصلابته تجعل خصائصه ممتازة في مقاومة التآكل.

تتواجد أيونات أكسيد الألومنيوم في المحاليل المائية في صورة كاتيونات سداسية أكسيد الألومنيوم (Al3+). وهي تمنح البروتونات لجزيئات الماء، مما يسبب التحلل المائي حتى يتكون راسب هيدروكسيد الألومنيوم في المحلول. علاوة على ذلك، تساعد الكاتيونات السداسية على تنقية الماء.

مع ارتفاع درجة حرارة الألومينا، تنخفض التوصيلية الكهربائية. ويرجع ذلك إلى ضعف الترابط الأيوني بين ذرات الألومنيوم الذي يسمح للإلكترونات بالتحرك بحرية أكبر مما يسمح بتكوين مسارات موصلة.

سيراميك الألومينا مادة خاملة مقاومة للكواشف الكيميائية، مما يجعلها آمنة ومثالية لتطبيقات المواد الحيوية. وللألومينا العديد من الاستخدامات مثل المفاصل الاصطناعية والفواصل العظمية وزراعة القوقعة؛ كما أن قابليتها للتشكيل تجعلها مناسبة لتصنيع الأنابيب وكذلك تشكيلها آلياً للمنتجات العلمية. وعلاوة على ذلك، فإن قابليتها للتشغيل الآلي تجعل سيراميك الألومينا خياراً ممتازاً عند استبدال أجزاء جسم الإنسان.

الألومينا هو عازل متميز ويمكنه تحمل تيارات عالية للغاية دون أن يتأثر. بالإضافة إلى ذلك، فإن مقاومته للتآكل عالية، ويقاوم التلف الميكانيكي بشكل جيد. وعلاوة على ذلك، تظل الألومينا خاملة في درجات الحرارة العالية مما يجعلها مناسبة لعمليات التصنيع الكيميائي وتطبيقات التفريغ.

التآكل

على عكس الألومينا النقية التي تتأكسد تلقائيًا في الهواء وتصبح قابلة للأكسدة بمرور الوقت، تحتوي الألومينا على طبقة أكسيد منيع تحميها من المزيد من الأكسدة وتحمي قلبها المعدني من المزيد من التأكسد. ويسمح ذلك باستخدام الألومينا في العديد من التطبيقات المختلفة ومنع التآكل؛ كما أن طبقة الأكسيد غير المنفذة تجعل الألومينا مقاومة لمعظم الأحماض في حين أن خواصها الميكانيكية الممتازة تشمل الصلابة العالية والمتانة في الكسر مما يجعلها خياراً متفوقاً للمواد لمعدات المعالجة الكيميائية والكهروكيميائية؛ وتظل خصائص العزل الكهربائي حتى في درجات الحرارة العالية؛ ومن ثم فإن خصائص درجة انصهارها العالية وخصائصها المقاومة للتآكل تجعل الألومينا خياراً ممتازاً للمواد!

يمكن استخدام الألومينا لإنتاج منتجات مختلفة، مثل العوازل الكهربائية والسيراميك والزجاج وخلايا الوقود. كما أنها تُستخدم على نطاق واسع كمكون لأنابيب تبطين الأفران وأنابيب الأدوات المختبرية؛ حيث تقاوم طبقة الأكسيد الخاصة بها التآكل الحمضي بينما يتم طلاؤها في كثير من الأحيان بالكروم أو النيكل لزيادة مقاومة التآكل. وعلاوةً على ذلك، تُعد الألومينا وسيط طحن فعال يمكن تشكيله باستخدام أدوات الماس.

يمكن أن يتخذ تآكل الألومينا أشكالاً مختلفة حسب البيئة وظروف التعرض. والتآكل الناتج عن التآكل هو أحد هذه الأشكال، وغالباً ما يحدث عندما تتعرض سبائك الألومنيوم للماء في بيئات كيميائية قاسية؛ وتتسارع آثاره بسبب السرعة ومستوى الأس الهيدروجيني ومحتوى السيليكا ووجود الكربونات في الماء.

يمثل التآكل الجلفاني (أو التآكل المعدني غير المتشابه) تهديدًا كبيرًا للألومنيوم لأنه يضعف قوته ويزيد من قابلية التشقق الإجهادي. وللتخفيف من آثاره، يجب أن يتجنب الألومنيوم التلامس المباشر مع المعادن الأخرى أو تركيب حاجز عازل حوله.

التآكل الشقوق هو شكل آخر من أشكال تآكل الألومنيوم، وغالباً ما يحدث داخل شقوق التعب الضيقة بين أجزاء هيكل الألومنيوم. يتغذى التآكل الشقوق على الأكسجين، مما يؤدي إلى توسيع شقوق التعب ويؤدي في النهاية إلى فشل هيكل الألومنيوم.

يمكن لعلماء التآكل مراقبة أداء سيراميك الألومينا بدقة أكبر من الطرق التقليدية لاختبار فقدان الوزن من خلال قياس أيونات الشطف أثناء الغمر في تركيزات مختلفة من المحاليل الحمضية. ويتيح قياس طيف الامتصاص الذري للباحثين تحليل هذه الكمية المرتشحة من العينات عن طريق اختبار Al3+ وMg2+ وCa2+ وCa2+ و Na+ وSi4+ التي ترشحت.