Връзката между порьозността и плътността на алуминия

Алуминият (Al) е сребристобял метал, който се среща навсякъде в природата и е незаменима суровина в много различни индустрии. Алуминият притежава много забележителни свойства, включително здравина, еластичност, якост на опън, термична стабилност, устойчивост на корозия и изолационни качества - качества, които го правят един от най-използваните метали в съответните области.

Плътността на алуминия зависи от фактори като прекурсорния материал, температурата на калциниране и програмата за нагряване, както и от структурата на порите и киселинността/основността на повърхността.

Порестост

Порьозността измерва съотношението на празните пространства към общия обем; обикновено се изразява в проценти между 0% и 100%. От съществено значение е да се разбере как порьозността се отнася към други свойства като плътност или пропускливост; и трите могат да се променят в зависимост от порьозността на материала.

Обект с висока порьозност може да съдържа въздушни джобове или други кухини в структурата си, което води до разлики в механичните и топлинните свойства. Порьозността може да се използва и за описване на това колко ефективно скалите съхраняват течности като нефт или природен газ под земята; геолозите и инженерите по резервоарите често използват порьозността на скали като пясъчници и карбонати, когато определят колко от всяка течност може да се съхранява под земята. За сондирането на кладенци с по-висока порьозност са необходими инструменти, предназначени специално за измерване на порьозността преди началото на сондирането и за създаване на циментови уплътнения между сондажа и околните скали, за да се предотврати изтичането на въглеводороди или флуиди извън предвидените за тях места.

Високата порьозност на алуминия го прави отличен материал за поддържане на промишлени катализатори. Голямата повърхност дава възможност за протичане на различни реакции; например поддържане на катализатори на основата на Fe по време на реакциите на хидроксилиране на фенол с водороден пероксид, при които се получават ценни органични съединения като хидрохинон и катехол.

Тази реакция е особено изгодна за петролната индустрия, тъй като увеличава добива на суров нефт и същевременно намалява замърсяването чрез намаляване на отпадъците, генерирани по време на производството.

В рамките на производството на алуминиев оксид е необходимо да се има предвид неговата порьозност по време на синтероването. Възможно е да се образуват пукнатини и порьозни продукти, които влошават неговата якост, пропускливост и други физични свойства - затова внимателното контролиране на тази стъпка ще доведе до получаване на висококачествени продукти от алуминий с ниска порьозност.

Алуминият се получава при обработката на боксит - богат на алуминий латерит. След извличането му той се подлага на рафиниране чрез процеса на Байер, който включва разтваряне на неговия оксид в сода каустик и след това филтриране на всички наситени разтвори на Байер, за да се получи фин бял прах, който прилича на захар, но може да надраска стъклени повърхности; този прах служи като суровина за различни керамични изделия и компоненти.

Специфична площ на повърхността

Повърхностната площ на алуминия е важен показател, който играе важна роля в приложения, включващи адсорбция, хетерогенен катализ и повърхностни реакции. Освен това, топлопроводимостта, свиването на керамиката по време на калциниране и структурата на порите й влияят върху нейната ефективност; следователно производителите трябва да полагат специални грижи за контрола на този параметър, за да произвеждат висококачествени продукти от алуминий.

В сравнение с конвенционалния си аналог, алуминият, произведен по този метод, демонстрира значително по-голяма равномерност на разпределението на порите и по-висока специфична повърхност в сравнение с предишни процеси. Освен това при производството му може да се поддържа задоволителна специфична повърхност дори при повишени температури.

Алуминият се среща в природата под формата на корунд или a-Al2O3 - твърд и химически инертен материал с ниска химическа реактивност. Алуминият може да се произвежда и чрез термична обработка на гибсит и бохмит с калциев хидроксид, за да се получи порест, по-малко компактен g-тип алуминий с приблизителна стойност на BET площта (N2) от 5m2g-1; тези материали се използват широко като носители на катализатори.

Активираният алуминиев оксид може да бъде произведен чрез контролирано нагряване на хидратиран алуминиев оксид до високи температури, което изтласква водните молекули през плоскости на структурна слабост в добре дефинирани пори със среден диаметър на порите 4 nm, като се получава активиран алуминиев оксид с приблизителна BET (N2) площ между 300-400 m2g-1.

Ефективното производство на алуминиев оксид изисква той да се произвежда с високи параметри на повърхността BET и плътността на скелета, тъй като това осигурява оптимална производителност при различни приложения, като огнеупори, абразиви, мембрани за литиеви батерии, запалителни свещи, каталитични носители и други приложения. За съжаление, високата специфична повърхност и плътност увеличават значително производствените разходи, докато свойствата зависят от фактори като утаител, условия на синтез и условия на сушене, които влияят върху свойствата му.

Поради това производителите на алуминиев оксид се нуждаят от бързи и точни инструменти за характеризиране на партиди алуминиев оксид. Инструментите Anton Paar AutoFlow BET+ и Ultrapyc предлагат бързо охарактеризиране, за да се гарантира, че партидите отговарят бързо на спецификациите; тяхната адсорбционна техника на Брунауер-Емет-Телер (BET) позволява точни измервания на SSA и плътността на скелета на пробите от алуминиев оксид.

Топлопроводимост

Топлопроводимостта на алуминиевия оксид зависи от неговия състав, морфология и наличието или отсъствието на вторични фази. Легиращите елементи са склонни да намаляват значително неговата топлопроводимост - по-конкретно Cr > V > Mn > Ti > Zr > Si като отслабващи агенти, като последните имат по-голямо влияние, когато присъстват като твърди разтвори (което означава, че концентрацията им остава постоянна независимо от температурата) [6,23].

Алуминиевият оксид предлага отлична устойчивост на корозия срещу различни киселини и соли поради силните йонни и ковалентни химични връзки между Al3+ и O2-. Освен това той се отличава с високи температури на топене и твърдост, което го прави способен да издържа на въздействието на множество неорганични киселини, включително ортофосфорна и флуороводородна киселина.

Поради силните йонни връзки между алкалните и хлоридните йони той не е толкова устойчив на корозия от силни основи и солна киселина.

Полирането на алуминиев оксид до изключително гладка повърхност е сравнително лесно, което го прави идеален материал за шлифоване и фрезоване. Освен това неговите универсални възможности за създаване на форми и размери му позволяват да се използва в много промишлени процеси.

Освен с отличните си механични свойства, алуминиевият оксид се отличава и с отлични електроизолационни свойства, както и с висока огнеупорност. Той може да издържа на високи температури, без да се напуква под налягане. Алуминиевият оксид отдавна се използва като материал за субстрат в заводите за рафиниране на нефт за производство на каталитични конвертори, като същевременно е широко използван като изолатор.

Алуминият се отличава с изключителни свойства за разсейване на топлината, които го правят изключително важен за много промишлени приложения. Той може да издържа на температури до 900 градуса по Целзий, като същевременно се отличава с ниски коефициенти на разширение, които улесняват работата с него при по-високи температури.

Алуминият е инертен материал, което означава, че той не реагира с химикалите, които влизат в контакт с него, като се предпазва от увреждане и удължава живота на продукта. Това прави алуминиевия оксид идеален за медицински изделия, тъй като продължителната употреба или поглъщане няма да доведе до химическо разграждане на керамичния субстрат, а зъбните импланти, изработени от този материал, ще останат неповредени от всички обичайни стоматологични процедури.

Устойчивост на корозия

Алуминият е нереактивен метал, което означава, че може да издържа на тежки условия и химикали, без да причинява повреди по повърхността или структурата. Освен това неговата топлоустойчивост го прави подходящ за приложения при високи температури. Освен това ниската му електропроводимост служи за изолация срещу протичането на електрически ток, докато здравината му се увеличава с нивата на чистота.

Алуминиевият оксид се среща в природата като елементарно съединение в боксита - съединение на алуминий и кислород. Когато е изложен на кислород, реакцията му бавно образува защитен филм от алуминиев оксид; с течение на времето това вещество образува твърди сплави с други елементи като магнезий и мед, като осигурява здравина като минерален легиращ компонент.

В процеса на леене алуминиевият оксид се нанася като защитно покритие върху метални или други субстрати, за да предотврати корозията, като спре взаимодействието им с околната среда. То е не само трайно, но тънкият му характер гарантира, че не пречи на нормалното функциониране на субстрата под него.

Устойчивостта на алуминия на корозия може да се определи от неговата микроструктура, по-специално от разпределението на частиците CaO, Fe2O3, MgO и Na2O. Освен това сегрегацията на примесите към границите на зърната по време на процеса на синтероване играе важна роля за неговата корозионна устойчивост, както и силикатите и другите добавки, използвани като помощни средства при синтероване.

Проучванията показват, че предварителното окисляване може значително да подобри устойчивостта на алуминия на корозия. Керамиката, съдържаща 0,85 тегловни процента Al2O3, предварително окислена в нулев въздух при 1050 градуса по Целзий за 4 часа, показва голяма устойчивост на разтопен хлорид поради плътното и равномерно образуване на котлен камък, осигуряващ защита от атаката на минералните киселини.

Друг начин за повишаване на устойчивостта на алуминиевия оксид на корозия е чрез добавяне на компоненти от благородни метали, като например магнезий. По този начин се намалява скоростта на катодната реакция и се повишава устойчивостта на корозия - този ефект става още по-силен, когато скоростта на охлаждане се ускорява бързо. Освен това наличието както на хром, така и на никел намалява риска от корозионно напукване под напрежение в керамичните изделия от алуминиев оксид.