アルミニウムの気孔率と密度の関係

アルミニウム（Al）は、自然界に豊富に存在する銀白色の金属であり、さまざまな産業において不可欠な原材料です。アルミニウムは、強度、延性、引張強さ、熱安定性、耐食性、絶縁性など、多くの優れた特性を持っており、それぞれの分野で使用される金属のひとつとなっています。

アルミナの密度は、前駆材料、焼成温度、加熱プログラム、細孔構造、表面の酸性度／塩基度などの要因に依存する。

多孔性

空隙率は、総体積に占める空隙の割合を示すもので、通常、0%から100%の間のパーセンテージで表されます。空隙率が密度や透過性などの他の特性とどのように関係しているかを理解することは非常に重要です。

空隙率の高い物体は、その構造中にエアポケットやその他の空隙を含んでいる可能性があり、機械的特性や熱的特性の違いにつながる。地質学者や貯留層エンジニアは、砂岩や炭酸塩などの岩石が地下にどれだけの流体を貯蔵できるかを判断する際に、その岩石の気孔率を利用することが多い。気孔率の高い井戸を掘削するには、掘削開始前に気孔率を測定し、坑井と周囲の岩石との間にセメントシールを形成して、炭化水素や流体が意図した場所以外に漏出しないようにするために特別に設計されたツールが必要である。

アルミナの高い気孔率は、工業触媒を担持するための優れた材料である。例えば、過酸化水素を用いたフェノールの水酸化反応において、Feベースの触媒を担持することで、ハイドロキノンやカテコールなどの貴重な有機化合物を生成することができる。

この反応は、原油の収率を高めると同時に、生産時に発生する廃棄物を減らして汚染を減少させるので、石油産業にとって特に有利である。

アルミナ製造の一環として、焼結中の気孔率に留意する必要がある。ひび割れや多孔質の製品が形成され、強度、透過性、その他の物理的特性が阻害される可能性があります。したがって、このステップを注意深く制御することで、高品質でありながら気孔率の低いアルミナ製品が得られます。

アルミナは、アルミニウムを多く含むラテライトであるボーキサイトを加工して得られる。抽出後、その酸化物を苛性ソーダに溶かし、飽和したバイエル溶液を濾過して取り除くというバイエル法による精製を経て、砂糖に似ているがガラスの表面に傷をつけることができる微細な白い粉が得られる。

比表面積

アルミナの表面積は、吸着、不均一系触媒、表面反応を含む用途において不可欠な役割を果たす重要な指標である。さらに、熱伝導率、焼成時のセラミック収縮、細孔構造もすべて性能に影響するため、メーカーは高品質のアルミナ製品を製造するために、このパラメーターの管理に特別な注意を払う必要がある。

この方法で製造されたアルミナは、従来のものと比較して、気孔分布の均一性が著しく高く、比表面積が高い。さらに、その製造は、高温でも満足のいく比表面積を維持することができる。

アルミナはコランダムまたはa-Al2O3として天然に産出し、化学反応性が低く、硬質で化学的に不活性な物質である。また、ギブサイトやベーマイトを水酸化カルシウムで熱処理して、BET面積（N2）値5m2g-1の多孔質でコンパクトでないg型アルミナを製造することもできる。

活性アルミナは、水和アルミナを制御された高温に加熱することによって製造することができ、水分子を構造的な弱点である平面を通して平均孔径4nmの明確な孔に押し出し、およそ300～400m2g-1のBET（N2）面積を持つ活性アルミナを生成する。

耐火物、研磨材、リチウム電池膜、スパークプラグ、触媒担体など、さまざまな用途で最適な性能を保証するためである。残念なことに、比表面積と密度が高いと製造コストが大幅に上昇する一方、特性は沈殿剤、合成条件、乾燥条件などの要因に左右され、その特性が影響を受ける。

そのため、アルミナメーカーは、アルミナのバッチの特性評価に迅速かつ正確な装置を必要としています。アントンパール社のAutoFlow BET+およびUltrapyc装置は、バッチが仕様に適合していることを迅速に確認するための迅速な特性評価を提供します。ブルナウアー・エメット・テラー(BET)吸着技術により、アルミナサンプルのSSAと骨格密度を正確に測定できます。

熱伝導率

アルミナの熱伝導率は、その組成、形態、二次相の有無に依存する。合金元素は熱伝導率を著しく低下させる傾向があり、具体的にはCr > V > Mn > Ti > Zr > Siが弱化剤として作用し、後者は固溶体として存在する場合（温度に関係なく濃度が一定であることを意味する）により大きな影響を及ぼす[6,23]。

アルミナは、Al3+とO2-の間の強いイオン結合と共有結合による化学結合により、様々な酸や塩に対して優れた耐食性を発揮します。さらに、高い融点と硬度を特徴とし、オルトリン酸やフッ化水素酸を含む多くの無機酸からの攻撃に耐えることができる。

アルカリイオンと塩化物イオンの間のイオン結合が強いため、強塩基や塩酸による腐食に対する耐性はそれほど高くない。

アルミナを非常に滑らかな表面に研磨するのは比較的簡単で、研削やフライス加工に理想的な材料です。さらに、その多彩な形状および寸法形成能力により、多くの工業プロセスで利用することができる。

アルミナは、その優れた機械的特性に加えて、優れた電気絶縁特性と高い耐火性を誇る。加圧下でも割れることなく高温に耐えることができる。アルミナは長い間、石油精製プラントで触媒コンバーター製造の基材として利用される一方、絶縁体としても広く利用されてきた。

アルミナは卓越した放熱特性を誇り、多くの工業用途に欠かせない。900℃までの温度に耐えることができる一方、低い膨張係数を誇るため、高温での作業も容易です。

アルミナは不活性材料であり、接触する化学物質と反応しないため、アルミナ自身を損傷から守り、製品の寿命を延ばします。このためアルミナは、長期間の使用や摂取によってセラミック基材が化学的に劣化することがないため、医療機器に理想的です。一方、この材料で作られた歯科用インプラントは、一般的な歯科治療によって損傷することはありません。

耐食性

アルミニウムは非反応性金属であり、表面や構造に損傷を与えることなく、過酷な環境や化学薬品に耐えることができる。さらに、その耐熱性は高温用途に適しています。さらに、電気伝導率が低いため、電流が流れるのを絶縁することができ、純度が高くなるほど強度が増します。

酸化アルミニウムは、アルミニウムと酸素の化合物であるボーキサイトに含まれる元素化合物として天然に存在する。酸素にさらされると、その反応によってゆっくりと酸化アルミニウムの保護膜が形成されます。この物質は、時間の経過とともにマグネシウムや銅などの他の元素と硬い合金を形成し、鉱物の合金成分として強度をもたらします。

鋳造プロセスでは、アルミナは金属やその他の基材に保護膜として塗布され、環境との相互作用を止めて腐食を防ぐのに役立ちます。これは耐久性があるだけでなく、その薄い性質により、その下にある基材の正常な機能を妨げることがありません。

アルミナの耐食性は、その微細構造、特にCaO、Fe2O3、MgOおよびNa2O粒子の分布によって決定することができる。さらに、焼結過程で粒界に不純物が偏析することも、焼結助剤として使用されるケイ酸塩やその他の添加物と同様に、耐食性に重要な役割を果たす。

研究により、予備酸化がアルミナの耐食性を著しく向上させることが実証されている。0.85重量パーセントのAl2O3を含むセラミックスは、1050℃の空気ゼロ中で4時間予備酸化され、緻密で均一なスケール形成により、溶融塩化物に対して優れた耐性を示し、鉱酸による腐食から保護される。

アルミナの耐食性を高めるもう一つの方法は、マグネシウムなどの貴金属成分を添加することである。これにより、カソード反応速度が低下し、耐食性が向上します。この効果は、冷却速度が急速に加速する場合にさらに強くなります。さらに、クロムとニッケルの両方が存在することで、セラミック・アルミナ・セラミックの応力腐食割れのリスクが低減します。