Die Beziehung zwischen der Porosität von Aluminium und der Dichte

Aluminium (Al) ist ein silbrig-weißes Metall, das überall in der Natur vorkommt und ein unverzichtbarer Rohstoff in vielen verschiedenen Branchen ist. Aluminium hat viele bemerkenswerte Eigenschaften wie Festigkeit, Duktilität, Zugfestigkeit, thermische Stabilität, Korrosionsbeständigkeit und isolierende Eigenschaften - Eigenschaften, die es zu einem der beliebtesten Metalle in den jeweiligen Bereichen machen.

Die Dichte von Aluminiumoxid hängt von Faktoren wie dem Vorläufermaterial, der Kalzinierungstemperatur und dem Heizprogramm sowie der Porenstruktur und dem Säuregehalt/Basizität der Oberfläche ab.

Porosität

Die Porosität misst den Anteil der Hohlräume am Gesamtvolumen und wird normalerweise als Prozentsatz zwischen 0% und 100% angegeben. Es ist wichtig zu verstehen, wie sich die Porosität zu anderen Eigenschaften wie Dichte oder Durchlässigkeit verhält; alle drei können sich je nach Porosität eines Materials ändern.

Ein Objekt mit hoher Porosität kann Lufttaschen oder andere Hohlräume in seiner Struktur enthalten, was zu Unterschieden in den mechanischen und thermischen Eigenschaften führt. Geologen und Lagerstätteningenieure verwenden oft die Porosität von Gesteinen wie Sandstein und Karbonaten, um zu bestimmen, wie viel von jeder Flüssigkeit sie im Untergrund speichern können. Für das Bohren von Bohrlöchern mit hoher Porosität sind spezielle Werkzeuge erforderlich, mit denen die Porosität vor Beginn der Bohrung gemessen und Zementdichtungen zwischen dem Bohrloch und dem umgebenden Gestein hergestellt werden können, um zu verhindern, dass Kohlenwasserstoffe oder Flüssigkeiten über die vorgesehenen Stellen hinaus austreten.

Die hohe Porosität von Aluminiumoxid macht es zu einem ausgezeichneten Material für die Lagerung von Industriekatalysatoren. Die große Oberfläche ermöglicht die Durchführung verschiedener Reaktionen, z. B. die Unterstützung von Katalysatoren auf Fe-Basis bei Hydroxylierungsreaktionen von Phenol mit Wasserstoffperoxid, bei denen wertvolle organische Verbindungen wie Hydrochinon und Catechol entstehen.

Diese Reaktion ist für die Erdölindustrie besonders vorteilhaft, da sie die Ausbeute an Rohöl erhöht und gleichzeitig die Umweltverschmutzung durch die Verringerung der bei der Produktion entstehenden Abfälle verringert.

Bei der Herstellung von Tonerde muss die Porosität während des Sinterns beachtet werden. Es können sich rissige und poröse Produkte bilden, die die Festigkeit, die Durchlässigkeit und andere physikalische Eigenschaften beeinträchtigen - daher führt eine sorgfältige Kontrolle dieses Schritts zu qualitativ hochwertigen Aluminiumoxidprodukten mit geringer Porosität.

Tonerde wird durch die Verarbeitung von Bauxit, einem aluminiumhaltigen Laterit, gewonnen. Nach der Gewinnung wird es durch das Bayer-Verfahren raffiniert, bei dem das Oxid in Natronlauge gelöst und die gesättigten Bayer-Lösungen abfiltriert werden, um ein feines weißes Pulver zu erhalten, das Zucker ähnelt, aber Glasoberflächen zerkratzen kann; dieses Pulver dient als Ausgangsmaterial für verschiedene keramische Artikel und Komponenten.

Spezifische Oberfläche

Die Oberfläche von Aluminiumoxid ist ein wichtiger Parameter, der bei Anwendungen wie Adsorption, heterogener Katalyse und Oberflächenreaktionen eine wesentliche Rolle spielt. Darüber hinaus wirken sich die Wärmeleitfähigkeit, die Schrumpfung der Keramik während der Kalzinierung und die Porenstruktur auf die Leistung aus; daher müssen die Hersteller diesen Parameter besonders sorgfältig kontrollieren, um qualitativ hochwertige Aluminiumoxidprodukte herzustellen.

Im Vergleich zu seinem konventionellen Gegenstück weist das mit dieser Methode hergestellte Aluminiumoxid eine wesentlich gleichmäßigere Porenverteilung und eine höhere spezifische Oberfläche auf als frühere Verfahren. Außerdem können bei der Herstellung auch bei höheren Temperaturen zufriedenstellende spezifische Oberflächen beibehalten werden.

Tonerde kommt in der Natur als Korund oder a-Al2O3 vor, ein hartes und chemisch inertes Material mit geringer chemischer Reaktivität. Alaun kann auch durch Wärmebehandlung von Gibbsit und Böhmit mit Calciumhydroxid hergestellt werden, um poröses, weniger kompaktes g-Typ-Aluminiumoxid mit einem ungefähren BET-Flächenwert (N2) von 5 m2g-1 zu erzeugen; diese Materialien werden häufig als Katalysatorträger verwendet.

Aktiviertes Aluminiumoxid kann durch kontrolliertes Erhitzen von hydratisiertem Aluminiumoxid auf hohe Temperaturen hergestellt werden, wobei Wassermoleküle durch strukturelle Schwachstellen in gut definierte Poren mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser von 4 nm gepresst werden, wodurch aktiviertes Aluminiumoxid mit einer ungefähren BET (N2)-Fläche von 300-400 m2g-1 entsteht.

Für eine effiziente Herstellung von Aluminiumoxid ist es erforderlich, es mit einer hohen BET-Oberfläche und einer hohen Skelettdichte zu produzieren, da dies eine optimale Leistung für eine Vielzahl von Anwendungen wie feuerfeste Materialien, Schleifmittel, Lithiumbatteriemembranen, Zündkerzen, Katalysatorträger und andere Anwendungen gewährleistet. Leider erhöhen eine hohe spezifische Oberfläche und Dichte die Produktionskosten erheblich, während die Eigenschaften von Faktoren wie Fällungsmittel, Synthesebedingungen und Trocknungsbedingungen abhängen, die sich auf die Eigenschaften des Materials auswirken.

Daher benötigen Tonerdehersteller schnelle und genaue Instrumente zur Charakterisierung von Tonerdechargen. Die Geräte AutoFlow BET+ und Ultrapyc von Anton Paar bieten eine schnelle Charakterisierung, um sicherzustellen, dass die Chargen schnell den Spezifikationen entsprechen; ihre Brunauer-Emmett-Teller (BET)-Adsorptionstechnik ermöglicht genaue Messungen von SSA und Skelettdichte von Aluminiumoxidproben.

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid hängt von seiner Zusammensetzung, Morphologie und dem Vorhandensein bzw. Fehlen von Sekundärphasen ab. Legierungselemente neigen dazu, die Wärmeleitfähigkeit erheblich zu verringern - insbesondere Cr > V > Mn > Ti > Zr > Si als Schwächungsfaktoren, wobei letztere einen größeren Einfluss haben, wenn sie als feste Lösungen vorliegen (d. h. ihre Konzentration bleibt unabhängig von der Temperatur konstant) [6,23].

Tonerde bietet aufgrund der starken ionischen und kovalenten chemischen Bindungen zwischen Al3+ und O2 eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber verschiedenen Säuren und Salzen. Darüber hinaus weist es einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe Härte auf, so dass es Angriffen zahlreicher anorganischer Säuren, einschließlich Orthophosphor- und Flusssäure, standhalten kann.

Aufgrund der starken Ionenbindung zwischen Alkali- und Chloridionen bietet es weniger Widerstand gegen Korrosion durch starke Basen und Salzsäure.

Das Polieren von Aluminiumoxid zu einer extrem glatten Oberfläche ist relativ einfach und macht es zum idealen Material für Schleif- und Fräsanwendungen. Darüber hinaus kann es aufgrund seiner vielseitigen Fähigkeiten zur Form- und Größengebung in vielen industriellen Prozessen eingesetzt werden.

Neben seinen hervorragenden mechanischen Eigenschaften verfügt Aluminiumoxid auch über ausgezeichnete elektrische Isolationseigenschaften und eine hohe Feuerfestigkeit. Es kann hohen Temperaturen standhalten, ohne unter Druck zu brechen. Tonerde wird seit langem als Substratmaterial in Erdölraffinerien für die Herstellung von Katalysatoren verwendet und ist als Isolator weit verbreitet.

Aluminiumoxid verfügt über außergewöhnliche Wärmeableitungseigenschaften, die es für viele industrielle Anwendungen unverzichtbar machen. Es kann Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius standhalten und verfügt über einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, der die Arbeit mit ihm bei höheren Temperaturen erleichtert.

Aluminiumoxid ist ein inertes Material, das heißt, es reagiert nicht mit Chemikalien, die mit ihm in Berührung kommen, und schützt sich so selbst vor Schäden und verlängert die Lebensdauer des Produkts. Dies macht Aluminiumoxid ideal für medizinische Geräte, da es bei langfristiger Verwendung oder Verschlucken nicht zu einer chemischen Zersetzung des Keramiksubstrats kommt, während Zahnimplantate aus diesem Material durch gängige zahnärztliche Behandlungen nicht beschädigt werden.

Korrosionsbeständigkeit

Aluminium ist ein nicht reaktives Metall, was bedeutet, dass es rauen Umgebungen und Chemikalien standhalten kann, ohne dass es zu Oberflächen- oder Strukturschäden kommt. Außerdem ist es aufgrund seiner Hitzebeständigkeit für Hochtemperaturanwendungen geeignet. Seine geringe elektrische Leitfähigkeit isoliert es gegen den elektrischen Stromfluss, während seine Festigkeit mit dem Reinheitsgrad zunimmt.

Aluminiumoxid kommt in der Natur als elementare Verbindung in Bauxit vor, einer Verbindung aus Aluminium und Sauerstoff. Wenn es Sauerstoff ausgesetzt wird, bildet sich durch die Reaktion langsam eine schützende Aluminiumoxidschicht; im Laufe der Zeit bildet diese Substanz harte Legierungen mit anderen Elementen wie Magnesium und Kupfer und sorgt als mineralische Legierungskomponente für Festigkeit.

Beim Gussverfahren wird Aluminiumoxid als Schutzschicht auf Metall oder andere Substrate aufgetragen, um Korrosion zu verhindern, indem die Wechselwirkung mit der Umgebung unterbunden wird. Sie ist nicht nur langlebig, sondern beeinträchtigt aufgrund ihrer dünnen Beschaffenheit auch nicht die normale Funktion des darunter liegenden Substrats.

Die Korrosionsbeständigkeit von Aluminiumoxid kann durch seine Mikrostruktur bestimmt werden, insbesondere durch die Verteilung von CaO-, Fe2O3-, MgO- und Na2O-Partikeln. Darüber hinaus spielt die Ausscheidung von Verunreinigungen an den Korngrenzen während des Sinterprozesses eine wichtige Rolle für die Korrosionsbeständigkeit, ebenso wie Silikate und andere als Sinterhilfsmittel verwendete Zusatzstoffe.

Studien haben gezeigt, dass die Voroxidation die Korrosionsbeständigkeit von Aluminiumoxid erheblich verbessern kann. Keramik, die 0,85 Gewichtsprozent Al2O3 enthält und 4 Stunden lang bei 1050 Grad Celsius in Null-Luft voroxidiert wurde, weist aufgrund der dichten und gleichmäßigen Zunderbildung eine hohe Beständigkeit gegen geschmolzenes Chlorid auf und bietet Schutz vor dem Angriff von Mineralsäuren.

Eine weitere Möglichkeit, die Korrosionsbeständigkeit von Aluminiumoxid zu erhöhen, ist die Zugabe von Edelmetallbestandteilen, wie z. B. Magnesium. Dadurch werden die kathodischen Reaktionsraten verringert und die Korrosionsbeständigkeit erhöht - dieser Effekt wird noch stärker, wenn sich die Abkühlungsgeschwindigkeiten schnell beschleunigen. Darüber hinaus verringert die Anwesenheit von Chrom und Nickel das Risiko der Spannungsrisskorrosion in keramischen Aluminiumoxidkeramiken.