Alumiinioksidi, joka tunnetaan myös nimellä Alumina Al2o3, ja sen sovellukset

Alumiinioksidi on kemiallisesti inertti materiaali, jolla on erinomainen korroosionkestävyys, joten se soveltuu hyvin lääketieteellisiin sovelluksiin, kuten kudosvahvistuksiin, proteeseihin ja lonkkaproteesilaakereihin. Kovuutensa ja bioherkkyytensä ansiosta tämä bioyhteensopiva materiaali on erinomainen valinta.

Alumiinioksidilla on vaikuttava kokoelma ominaisuuksia, jotka johtuvat sen kiderakenteesta. Tämän ansiosta siitä voidaan valmistaa erilaisia huipputekniikan keraamisia tuotteita käytettäväksi teollisuudessa tai kulutustavaroiden valmistuksessa.

Kemiallinen inerttiys

Alumiinioksidi (alumiinioksidi al2o3) on inertti ja hajuton yhdiste, jota esiintyy luonnossa kiderakenteina korundissa ja bauksiitissa. Alumiinioksidilla on monia elämää parantavia sovelluksia lääketieteessä ja nykyaikaisessa sodankäynnissä; lisäksi se on korvaamaton komponentti rubiinien ja safiirien syvän punaisen ja sinisen värin luomisessa, mikä johtuu niissä esiintyvistä kromin epäpuhtauksista. Tämän yhdisteen puhtaita muotoja käytetään täyteaineena muovien ja tiilien tuotannossa sekä hioma-aineena hiekkapaperin tuotannossa - ne ovat edullisia vaihtoehtoja teollisuustimanteille.

Korkean sulamis- ja kiehumispisteensä ansiosta alumiinioksidi on erinomainen sähköinen eriste, jolla on alhainen häviö- ja dielektrinen lujuus, joten se soveltuu sytytystulppiin, integroitujen piirien koteloihin ja muihin sähkökomponentteihin, jotka tarvitsevat korkeatasoista suojaa virtaa, lämpöä ja tärinää vastaan. Lisäksi sen lämmöneristysominaisuuksien ansiosta se soveltuu myös uuneihin tai teollisuuden lämmityslaitteisiin.

Kemiallisen inerttiutensa ansiosta alumiinioksidille on löydetty monia lääketieteellisiä käyttötarkoituksia luu- ja hammasimplanteista kirurgisten instrumenttien pinnoitteisiin ja pinnoituksiin. Alumiinioksidia voidaan käyttää myös akkujen elektrodimateriaalina, sillä litiumhiukkaset päällystävät sitä positiivisesti. Alumiinioksidin sitkeys, hajuttomuus ja biologinen inerttius tekevät siitä täydellisen suojavarusteiden, kuten suojapanssarien ja luodinkestävän lasin, valmistukseen.

Valkoista alumiinioksidia voidaan valmistaa joko sulattamalla bauksiitti suoraan Higginsin uunissa, jossa on vesijäähdytys, tai Bayerin prosessissa, jossa boehmiitti, gibbsiitti ja diaspori liuotetaan natriumhydroksidiin, minkä jälkeen alumiini erotetaan epäpuhtauksista natriumhydroksidilla ja saostetaan natriumaluminaattiliuoksella, josta valmistetaan tulenkestäviä vuorauksia teollisuusuuniin, hiekkapaperin hiomarakeisiin ja hiomalaikkoihin.

Alumiinioksidia esiintyy erilaisissa valmistusprosesseissa, joissa valmistetaan kemikaaleja, kuten fenolia, asetonia, tolueenia, butyraattia ja kumeenia; sitä käytetään katalysaattorina orgaanisissa synteesireaktioissa; sitä käytetään orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden, myös raskasmetallien, adsorboimiseen; se suodattaa tehokkaasti haihtuvia orgaanisia yhdisteitä vesivarastoista; se ei kuitenkaan saa koskaan joutua suoraan kosketukseen ihon tai silmien kanssa, koska se voi aiheuttaa vakavaa ärsytystä; aina kun näin tapahtuu, se on pestävä välittömästi pois juoksevalla vedellä ja hakeuduttava lääkärin hoitoon niin pian kuin mahdollista.

Sähköeristys

Alumiinioksidilla on erinomainen sähköinen eristysarvo, minkä vuoksi se on olennainen komponentti lukuisissa sovelluksissa. Niihin kuuluvat muun muassa piirilevyjen alustojen tarjoaminen, jotka suojaavat niitä komponenttien vuorovaikutukselta, henkilöstön ja laitteiden suojaaminen vahingossa tapahtuvilta sähkövuodoilta tahattomille alueille ja sähkön tietämättömän vuotamisen estäminen alueille, jotka voivat aiheuttaa mahdollisia terveys- ja turvallisuusuhkia.

Alumiinioksidin eristysominaisuuksia voidaan parantaa päällystämällä se zirkoniumoksidihiukkasilla tai piikarbidiviikseleillä ja lisäämällä siihen pieniä määriä magnesiittia. Alumiinijauhetta käytetään usein jalokivien, kuten safiirien, rubiinien ja smaragdien, kiillottamiseen sen sitkeän pinnan vuoksi; muita käyttökohteita ovat teollisuuden leikkuutyökalujen valmistus sekä tulenkestävien aineiden ja keramiikan tuotanto.

Korroosionkestävyys, korkea lämpöstabiilisuus ja alhainen häviötangentti ovat muita merkittäviä ominaisuuksia, jotka tekevät titaanista korvaamattoman arvokkaan materiaalin korkean lämpötilan sovelluksissa, kuten teollisuusuuneissa ja lämmityselementeissä. Lisäksi titaani toimii titaanipigmenttien pinnoitemateriaalina ja palonestoaineena tai savunpoistoaineena.

Alumiinioksidin korkea puhtaus yhdistyy erinomaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin, ja sen avulla voidaan luoda kehittynyttä teknistä keramiikkaa, joka mahdollistaa kehittyneet sovellukset esimerkiksi työstökaluissa, leikkuu- ja hiomalaikoissa, kulumista kestävissä pumppujen juoksupyörissä, lämpöparien vaipoissa ja alumiinioksidista valmistetuissa hioma-aineissa.

Keramiikka soveltuu myös korkeisiin lämpötiloihin ja syövyttäviin ympäristöihin, kuten uuneissa ja uunissa, joita esiintyy esimerkiksi terästuotteiden kuumentamisessa rauta-masuunissa. International Syalons tarjoaa alumiinioksidikeramiikkalevyjä, jotka on suunniteltu erityisesti käytettäväksi polttoainelinjojen vuoraamiseen hiilivoimaloissa korroosiosuojana korroosiosta johtuvilla suurilla kulumisalueilla.

Alumiinioksidi on mukautuva materiaali, jota voidaan muotoilla ja yhdistää erilaisilla konsolidointi- ja sintrausprosesseilla, kuten liimaus- tai muotoilutekniikoilla, jotta saadaan aikaan lähes nettomuotoja, joiden rakeisuus on tiukasti kontrolloitavissa. Alumiinioksidi on erinomainen substraattimateriaali pii-safiiri-integroiduille piireille, koska se toimii tunneliesteenä suprajohtavissa kvanttiinterferenssilaitteissa (SQUID). Alumiinioksidi kestää myös hyvin lämpöä, koska se on helposti työstettävissä ja hiottavissa. Lisäksi sillä on erinomainen kemiallinen inerttiys sekä kestävyys kulumiseen liittyviä ongelmia vastaan.

Lämmönjohtavuus

Alumiini on poikkeuksellinen lämmönjohdin, joten se on ihanteellinen materiaali korkeille lämpötiloille altistuvien pintojen eristämiseen. Alumiinikeraamia käytetään usein uunien vuorauksena. Niiden suuri kovuus ja korroosionkestävyys tekevät niistä houkuttelevia myös laakerien tiivisterenkaina, ja niiden kulutuskestävyys sopii erinomaisesti kaivostoimintaan sekä sotilasajoneuvojen ja -henkilöstön panssaripinnoitteiksi.

Alumiinioksidi on erittäin kestävä materiaali, joka voidaan muotoilla lähes mihin tahansa kuviteltavissa olevaan muotoon, ja sillä on vahva vetolujuus ja kovuus hionta-, leikkaus- ja porausprosesseja varten. Alumiinioksidi kestää myös äärimmäisiä olosuhteita, kuten lämpöpaineen aiheuttamaa kemiallista hyökkäystä, minkä vuoksi se soveltuu öljy- ja kaasuteollisuuden korkeapainekomponentteihin ja koneiden kulumatyynyihin.

Alumiinioksidin lämpöominaisuuksia hyödynnetään keramiikan ja muiden kehittyneiden materiaalien valmistuksessa, mukaan lukien läpinäkyvä alumiinioksidi, jota käytetään laajalti suurpainenatriumlamppujen ja infrapunahavainnointi-ikkunoiden valmistuksessa. Alumiinioksidi toimii myös erinomaisena sähköeristeenä, jolla on alhainen dielektrinen häviö; sen korkea sulamispiste ja lämpöshokkien kestävyys tekevät siitä sopivan laboratorioastioiden upokkaisiin, laastareihin ja murskaimiin, joita käytetään kemikaalien jauhamiseen laboratorioissa, sekä kovametallityökalujen pinnoittamiseen pitkäikäisyyden ja suorituskyvyn parantamiseksi.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että alumiinioksidi on bioyhteensopiva jopa 7 mM:n pitoisuuksissa juomavedessä (Fimreite et al., 1997), mikä johtuu positiivisesti varautuneiden alumiinioksidihiukkasten ja negatiivisesti varautuneiden bakteerisolujen välisestä sähköstaattisesta vuorovaikutuksesta sekä positiivisesti varautuneiden hiukkasten ja solun komponenttien välisistä polymeerisilloista. Tämä sidosvoima vahvistaa edelleen polymeerisiltojen muodostumista hiukkasten ja solujen komponenttien välille.

V79-hamsterin keuhkofibroblasteilla tehdyt in vitro -mutageneesikokeet osoittavat, että alumiini aiheuttaa nopeita kromosomipoikkeavuuksia V79-hamsterin keuhkofibroblastien rintaepiteelisoluissa. Koe suunniteltiin Taloudellisen yhteistyön ja kehityksen järjestön (OECD) genotoksisuustestausta koskevien pöytäkirjojen mukaisesti, mukaan lukien useat annokset, kaksi inkubaatioaikaa, suuri otoskoko ja tarkat tilastot. Tulokset viittaavat siihen, että alumiinin vaikutukset johtuvat enimmäkseen DNA-adduktioista eivätkä niinkään mutaatioista tai muutoksista geenien ilmentymisessä.

Kovuus

Alumiinikeraamit toimivat kovuutensa ansiosta hyvin vaativissa teollisuusolosuhteissa, minkä vuoksi ne ovat suosittuja hioma- ja kiillotusaineita esimerkiksi metallien ja lasin kaltaisten materiaalien hionta- ja kiillotusprosesseissa. Alumiinioksidin lämmönkestävyys ja iskunkestävyys suojaavat koneita ja laitteita vaurioilta, ja sen kyky kestää korkeampia lämpötiloja tekee siitä sopivan sähköeristeen haastavissa prosessointiympäristöissä.

Alumiinioksidi al2o3 erottuu muista materiaaleista ainutlaatuisen kiderakenteensa ansiosta: alumiiniionit on sijoitettu oktaedrisesti happi-ionien ympärille oktaedriseen järjestelyyn, mikä luo erittäin tiheän kideruudukon, joka antaa tälle materiaalille sen poikkeuksellisen kovuuden. Lisäksi tämä ainutlaatuinen kokoonpano vaikuttaa myös sen vaikuttaviin ominaisuuksiin, kuten erinomaiseen kulutuskestävyyteen ja kemialliseen stabiilisuuteen.

Alumiinioksidi kestää hyvin kemikaaleja ja äärimmäisiä lämpötiloja, ja se kestää happamia ympäristöjä hajoamatta tai reagoimatta - jopa kosketuksissa nesteiden, kuten veden, kanssa. Alumiinioksidin vakaus mahdollistaa sen, että se kestää korroosiota aiheuttavia prosessointiympäristöjä, kuten vaativien tuotantolinjojen uuneissa ja polttouuneissa, hajoamatta tai reagoimatta ja pysyy vahvana ja kovana myös tällaisissa ankarissa prosessointiolosuhteissa.

Alumiinioksidia on eri muodoissa ja rakenteissa. Yleisimmin tulenkestävissä materiaaleissa käytetään alfa-alumiinia (a-Al2O3), jonka värittömät kuusikulmaiset kiteet ovat tiheydeltään 3,9 g/cm3 ja kovuudeltaan 9 Mohsin luokkaa. Myös gamma- ja beeta-alumiinia (a- ja b-Al2O3) sekä aktivoituja ja hydratoituja muotoja löytyy.

Alumiinimateriaalia valittaessa on otettava huomioon sen kemiallinen inerttiys, tulenkestävä lämpötila, johtavuus ja kovuus aiottua käyttötarkoitusta varten. Kun zirkoniumdioksidia (ZrO2) harkitaan käytettäväksi alumiinioksidivaihtoehtona, on noudatettava OSHA:n turvallisen käsittelyn määräyksiä, sillä sen alhaisempi tulenkestävyyslämpötila heikentää sen soveltuvuutta korkean lämpötilan käsittely-ympäristöihin ja se saattaa hapettua helposti, minkä vuoksi se ei sovellu tiettyihin sovelluksiin.