Alumiinin huokoisuuden ja tiheyden välinen suhde

Alumiini (Al) on runsas hopeanvalkoinen metalli, jota esiintyy kaikkialla luonnossa ja joka on välttämätön raaka-aine monilla eri teollisuudenaloilla. Alumiinilla on monia merkittäviä ominaisuuksia, kuten lujuus, sitkeys, vetolujuus, lämpöstabiilisuus, korroosionkestävyys ja eristävyys - ominaisuuksia, jotka tekevät siitä yhden suosituimmista metalleista omilla aloillaan.

Alumiinioksidin tiheys riippuu muun muassa sen esiasteaineesta, kalsinointilämpötilasta ja lämmitysohjelmasta sekä huokosrakenteesta ja pinnan happamuudesta/peräisyydestä.

Huokoisuus

Huokoisuus mittaa tyhjien tilojen osuutta kokonaistilavuudesta; se ilmaistaan yleensä prosentteina välillä 0% - 100%. Huokoisuuden ja muiden ominaisuuksien, kuten tiheyden tai läpäisevyyden, välisen suhteen ymmärtäminen on elintärkeää; kaikki kolme ominaisuutta voivat muuttua materiaalin huokoisuuden mukaan.

Huokoinen esine voi sisältää ilmataskuja tai muita tyhjiöitä rakenteessaan, mikä johtaa eroihin mekaanisissa ja lämpöominaisuuksissa. Huokoisuutta voidaan käyttää myös kuvaamaan sitä, kuinka tehokkaasti kivet varastoivat nesteitä, kuten öljyä tai maakaasua, maan alle. Geologit ja säiliöinsinöörit käyttävät usein hiekkakiven ja karbonaattien kaltaisten kivien huokoisuutta määrittäessään, kuinka paljon kutakin nestettä voidaan varastoida maan alle. Korkeamman huokoisuuden omaavien porauskaivojen poraaminen edellyttää työkaluja, jotka on suunniteltu erityisesti huokoisuuden mittaamiseen ennen porauksen aloittamista ja sementtitiivisteiden luomiseen porausreiän ja ympäröivien kivien välille, jotta hiilivetyjä tai nesteitä ei pääse vuotamaan aiottujen paikkojen ulkopuolelle.

Alumiinioksidin suuri huokoisuus tekee siitä erinomaisen materiaalin teollisten katalyyttien tukemiseen. Suuri pinta-ala mahdollistaa erilaisten reaktioiden tapahtumisen; esimerkiksi Fe-pohjaisten katalyyttien tukeminen fenolin hydroksylaatioreaktioissa vetyperoksidin kanssa, jolloin saadaan arvokkaita orgaanisia yhdisteitä, kuten hydrokinonia ja katekolia.

Tämä reaktio on erityisen hyödyllinen öljyteollisuudelle, koska se lisää raakaöljyn saantoa ja vähentää samalla saastumista vähentämällä tuotannossa syntyvää jätettä.

Alumiinioksidin valmistuksen yhteydessä on tarpeen pitää mielessä sen huokoisuus sintrauksen aikana. Säröytyneitä ja huokoisia tuotteita voi muodostua, mikä heikentää sen lujuutta, läpäisevyyttä ja muita fysikaalisia ominaisuuksia - tämän vaiheen huolellinen hallinta johtaa korkealaatuisiin ja samalla vähän huokoisiin alumiinioksidituotteisiin.

Alumiinioksidia saadaan jalostamalla bauksiittia, joka on alumiinirikas lateriitti. Louhinnan jälkeen se jalostetaan Bayerin prosessissa, jossa alumiinioksidi liuotetaan natriumhydroksidiin ja sen jälkeen suodatetaan mahdolliset kylläiset Bayerin liuokset pois, jolloin saadaan hienoa valkoista jauhetta, joka muistuttaa sokeria mutta voi naarmuttaa lasipintoja; tätä jauhetta käytetään raaka-aineena erilaisissa keraamisissa esineissä ja komponenteissa.

Ominaispinta-ala

Alumiinioksidin pinta-ala on tärkeä mittari, jolla on olennainen merkitys adsorptiota, heterogeenista katalyysiä ja pintareaktioita koskevissa sovelluksissa. Lisäksi lämmönjohtavuus, keramiikan kutistuminen kalsinoinnin aikana ja huokosrakenne vaikuttavat kaikki alumiinioksidin suorituskykyyn, minkä vuoksi valmistajien on kiinnitettävä erityistä huomiota tämän parametrin hallintaan korkealaatuisten alumiinioksidituotteiden tuottamiseksi.

Tällä menetelmällä tuotettu alumiinioksidi on tavanomaiseen vastineeseensa verrattuna huomattavasti tasaisempi huokosjakauman suhteen ja sen ominaispinta-ala on suurempi kuin aiemmissa prosesseissa. Lisäksi sen tuotannossa voidaan säilyttää tyydyttävä ominaispinta-ala myös korkeissa lämpötiloissa.

Alumiinioksidia esiintyy luonnossa korundina eli a-Al2O3:na, joka on kova ja kemiallisesti inertti materiaali, jolla on alhainen kemiallinen reaktiivisuus. Alumiinioksidia voidaan valmistaa myös lämpökäsittelemällä gibbsiittiä ja böhmiittiä kalsiumhydroksidilla, jolloin saadaan huokoista, vähemmän tiivistä g-tyypin alumiinioksidia, jonka BET-pinta-ala (N2) on noin 5 m2g-1. Näitä materiaaleja käytetään laajalti katalysaattoritukiaineina.

Aktivoitua alumiinioksidia voidaan valmistaa kuumentamalla hydratoitua alumiinioksidia hallitusti korkeisiin lämpötiloihin, jolloin vesimolekyylit pakotetaan ulos rakenteellisesti heikkojen tasojen kautta tarkoin määriteltyihin huokosiin, joiden keskimääräinen huokosten halkaisija on 4 nm, ja saadaan aktivoitua alumiinioksidia, jonka BET (N2) -pinta-ala on noin 300-400 m2g-1.

Alumiinioksidin tehokas valmistus edellyttää, että se valmistetaan niin, että sen BET-pinta-ala ja luurangon tiheys ovat korkeat, sillä tämä takaa optimaalisen suorituskyvyn monissa eri sovelluksissa, kuten tulenkestävissä aineissa, hioma-aineissa, litiumparistojen kalvoissa, sytytystulpissa, katalysaattoritukissa ja muissa sovelluksissa. Valitettavasti suuri ominaispinta-ala ja -tiheys lisäävät merkittävästi tuotantokustannuksia, kun taas ominaisuudet riippuvat ominaisuuksiin vaikuttavista tekijöistä, kuten saostusaineesta, synteesiolosuhteista ja kuivausolosuhteista.

Alumiinioksidin valmistajat tarvitsevat siksi nopeita ja tarkkoja välineitä alumiinioksidierien karakterisointiin. Anton Paar AutoFlow BET+- ja Ultrapyc-laitteet tarjoavat nopean karakterisoinnin, jolla varmistetaan, että erät täyttävät nopeasti vaatimukset; niiden Brunauer-Emmett-Teller (BET) -adsorptiotekniikka mahdollistaa tarkat mittaukset alumiinioksidinäytteiden SSA:sta ja luurangon tiheydestä.

Lämmönjohtavuus

Alumiinioksidin lämmönjohtavuus riippuu sen koostumuksesta, morfologiasta ja sekundaaristen faasien esiintymisestä tai puuttumisesta. Seosaineilla on taipumus heikentää sen lämmönjohtavuutta merkittävästi - erityisesti Cr > V > Mn > Ti > Zr > Si heikentävinä tekijöinä, joista jälkimmäisillä on suurempi vaikutus, kun ne ovat kiinteinä liuoksina (eli niiden pitoisuus pysyy samana lämpötilasta riippumatta) [6,23].

Alumiinioksidi kestää erinomaisesti korroosiota erilaisia happoja ja suoloja vastaan, koska Al3+:n ja O2-:n välillä on vahvat ioniset ja kovalenttiset kemialliset sidokset. Lisäksi sillä on korkeat sulamispisteet ja kovuus, minkä ansiosta se kestää useiden epäorgaanisten happojen, kuten ortofosforihapon ja fluorivetyhapon, hyökkäyksiä.

Koska emästen ja kloridi-ionien välillä on vahvat ionisidokset, se ei kestä yhtä hyvin vahvojen emästen ja suolahapon aiheuttamaa korroosiota.

Alumiinioksidin kiillottaminen erittäin sileäksi pinnaksi on suhteellisen yksinkertaista, joten se on ihanteellinen materiaali hionta- ja jyrsintäsovelluksiin. Lisäksi sen monipuoliset muodon- ja koonmuodostusominaisuudet mahdollistavat sen hyödyntämisen monissa teollisissa prosesseissa.

Erinomaisten mekaanisten ominaisuuksiensa lisäksi alumiinioksidilla on myös erinomaiset sähköeristysominaisuudet ja korkea tulenkestävyys. Se kestää korkeita lämpötiloja murtumatta paineen alaisena. Alumiinioksidia on jo pitkään hyödynnetty raaka-aineena öljynjalostuslaitoksissa katalysaattorituotannossa, kun taas sitä hyödynnetään laajalti eristeenä.

Alumiinioksidilla on poikkeukselliset lämmönsiirto-ominaisuudet, jotka tekevät siitä välttämättömän monissa teollisissa sovelluksissa. Se kestää jopa 900 degC:n lämpötiloja, ja sen alhaiset laajenemiskertoimet helpottavat työskentelyä korkeammissa lämpötiloissa.

Alumiinioksidi on inertti materiaali, mikä tarkoittaa, että se ei reagoi sen kanssa kosketuksiin joutuvien kemikaalien kanssa, mikä suojaa sitä itseään vaurioilta ja pidentää tuotteen käyttöikää. Tämän vuoksi alumiinioksidi soveltuu erinomaisesti lääkinnällisiin laitteisiin, sillä pitkäaikainen käyttö tai nieleminen ei aiheuta kemiallista hajoamista keraamiselle alustalle, ja tästä materiaalista valmistetut hammasimplantit pysyvät vahingoittumattomina tavanomaisissa hammashoidoissa.

Korroosionkestävyys

Alumiini on reagoimaton metalli, mikä tarkoittaa, että se kestää vaativia ympäristöjä ja kemikaaleja ilman, että pinta- tai rakennevaurioita syntyy. Lisäksi sen lämmönkestävyys tekee siitä sopivan korkean lämpötilan sovelluksiin. Lisäksi sen alhainen sähkönjohtavuus eristää sitä sähkövirtaa vastaan, ja sen lujuus kasvaa puhtausasteen myötä.

Alumiinioksidia esiintyy luonnossa alkuaineseoksena bauksiitissa, joka on alumiinin ja hapen yhdiste. Kun se altistuu hapelle, sen reaktio muodostaa hitaasti suojaavan alumiinioksidikalvon; ajan mittaan tämä aine muodostaa kovia seoksia muiden alkuaineiden, kuten magnesiumin ja kuparin, kanssa, mikä antaa lujuutta mineraalien seosaineena.

Valuprosessissa alumiinioksidia levitetään suojapinnoitteeksi metallille tai muille alustoille, jotta se auttaisi ehkäisemään korroosiota pysäyttämällä niiden vuorovaikutuksen ympäristönsä kanssa. Se ei ole ainoastaan kestävä, vaan sen ohut luonne varmistaa, ettei se häiritse sen alla olevan substraatin normaalia toimintaa.

Alumiinioksidin korroosionkestävyys voidaan määrittää sen mikrorakenteen, erityisesti CaO-, Fe2O3-, MgO- ja Na2O-hiukkasten jakautumisen perusteella. Lisäksi epäpuhtauksien erottuminen raerajoille sintrauksen aikana vaikuttaa merkittävästi korroosionkestävyyteen, samoin kuin silikaatit ja muut sintrauksen apuaineina käytetyt lisäaineet.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että esihapetus voi parantaa alumiinioksidin korroosionkestävyyttä merkittävästi. Keramiikka, joka sisältää 0,85 painoprosenttia Al2O3:a ja jota on esihapetettu nollailmassa 1050 celsiusasteen lämpötilassa 4 tunnin ajan, kestää hyvin sulaa kloridia, koska se muodostaa tiheää ja tasaista kalkkia, joka suojaa mineraalihappojen hyökkäyksiltä.

Toinen tapa lisätä alumiinioksidin korroosionkestävyyttä on lisätä jalometalliosia, kuten magnesiumia. Tämä vähentää katodisen reaktion nopeutta ja parantaa korroosionkestävyyttä - tämä vaikutus voimistuu entisestään, kun jäähdytysnopeudet kiihtyvät nopeasti. Lisäksi sekä kromin että nikkelin läsnäolo vähentää jännityskorroosiohalkeiluriskiä keraamisissa alumiinioksidikeramiikoissa.