Zależność między porowatością i gęstością aluminium

Aluminium (Al) jest srebrzystobiałym metalem występującym w naturze i niezbędnym surowcem w wielu różnych gałęziach przemysłu. Aluminium ma wiele niezwykłych właściwości, w tym wytrzymałość, plastyczność, wytrzymałość na rozciąganie, stabilność termiczną, odporność na korozję i właściwości izolacyjne - cechy, które sprawiają, że jest to jeden z najlepszych metali w swoich dziedzinach.

Gęstość tlenku glinu zależy od takich czynników, jak materiał prekursorowy, temperatura kalcynacji i program ogrzewania, a także struktura porów i kwasowość/zasadowość powierzchni.

Porowatość

Porowatość mierzy proporcję pustych przestrzeni do całkowitej objętości; zwykle wyrażana jako wartość procentowa między 0% a 100%. Zrozumienie, w jaki sposób porowatość odnosi się do innych właściwości, takich jak gęstość lub przepuszczalność, ma kluczowe znaczenie; wszystkie trzy mogą ulec zmianie w zależności od porowatości materiału.

Obiekt o wysokiej porowatości może zawierać kieszenie powietrzne lub inne puste przestrzenie w swojej strukturze, co prowadzi do różnic we właściwościach mechanicznych i termicznych. Porowatość może być również używana do opisania, jak skutecznie skały przechowują płyny, takie jak ropa naftowa lub gaz ziemny pod ziemią; geolodzy i inżynierowie złóż często wykorzystują porowatość skał, takich jak piaskowiec i węglany, przy określaniu, ile każdego płynu mogą przechowywać pod ziemią. Wiercenie studni o wyższej porowatości wymaga narzędzi zaprojektowanych specjalnie do pomiaru porowatości przed rozpoczęciem wiercenia i tworzenia cementowych uszczelnień między otworem wiertniczym a otaczającymi skałami, aby zapobiec wyciekom węglowodorów lub płynów poza ich zamierzone lokalizacje.

Wysoka porowatość tlenku glinu sprawia, że jest on doskonałym materiałem do wspierania katalizatorów przemysłowych. Duża powierzchnia umożliwia zachodzenie różnych reakcji, na przykład wspieranie katalizatorów na bazie Fe podczas reakcji hydroksylacji fenolu z nadtlenkiem wodoru, które wytwarzają cenne związki organiczne, takie jak hydrochinon i katechol.

Reakcja ta jest szczególnie korzystna dla przemysłu naftowego, ponieważ zwiększa wydajność ropy naftowej, jednocześnie zmniejszając zanieczyszczenie środowiska poprzez zmniejszenie ilości odpadów wytwarzanych podczas produkcji.

W ramach produkcji tlenku glinu należy pamiętać o jego porowatości podczas spiekania. Mogą powstawać pęknięcia i porowate produkty, które zmniejszają wytrzymałość, przepuszczalność i inne właściwości fizyczne - dlatego staranne kontrolowanie tego etapu pozwoli uzyskać wysokiej jakości produkty z tlenku glinu o niskiej porowatości.

Tlenek glinu uzyskuje się poprzez przetwarzanie boksytu, bogatego w aluminium laterytu. Po wydobyciu poddawany jest rafinacji w procesie Bayera, który polega na rozpuszczeniu jego tlenku w sodzie kaustycznej, a następnie odfiltrowaniu wszelkich nasyconych roztworów Bayera w celu uzyskania drobnego białego proszku, który przypomina cukier, ale może zarysować szklane powierzchnie; proszek ten służy jako surowiec do różnych wyrobów ceramicznych i komponentów.

Powierzchnia właściwa

Powierzchnia tlenku glinu jest ważnym parametrem, który odgrywa integralną rolę w zastosowaniach obejmujących adsorpcję, katalizę heterogeniczną i reakcje powierzchniowe. Co więcej, przewodność cieplna, kurczenie się ceramiki podczas kalcynacji i jej struktura porów wpływają na jej wydajność; dlatego producenci muszą zachować szczególną ostrożność w kontrolowaniu tego parametru w celu wytworzenia wysokiej jakości produktów z tlenku glinu.

W porównaniu z konwencjonalnym odpowiednikiem, tlenek glinu wytwarzany tą metodą wykazuje znacznie większą jednorodność rozkładu porów i wyższą powierzchnię właściwą niż wcześniejsze procesy. Co więcej, jego produkcja może utrzymać zadowalającą powierzchnię właściwą nawet w podwyższonych temperaturach.

Tlenek glinu występuje naturalnie jako korund lub a-Al2O3, twardy i chemicznie obojętny materiał o niskiej reaktywności chemicznej. Tlenek glinu może być również wytwarzany poprzez obróbkę cieplną gibbsytu i boehmitu wodorotlenkiem wapnia w celu wytworzenia porowatego, mniej zwartego tlenku glinu typu g o przybliżonej wartości powierzchni BET (N2) wynoszącej 5m2g-1; materiały te są szeroko stosowane jako nośniki katalizatorów.

Aktywowany tlenek glinu może być wytwarzany poprzez kontrolowane ogrzewanie uwodnionego tlenku glinu do wysokich temperatur, wypychając cząsteczki wody przez płaszczyzny osłabienia strukturalnego do dobrze zdefiniowanych porów o średniej średnicy porów 4 nm, wytwarzając aktywowany tlenek glinu o przybliżonej powierzchni BET (N2) między 300-400 m2g-1.

Efektywna produkcja tlenku glinu wymaga wytwarzania go z wysokimi parametrami powierzchni BET i gęstości szkieletu, ponieważ zapewnia to optymalną wydajność w różnych zastosowaniach, takich jak materiały ogniotrwałe, materiały ścierne, membrany baterii litowych, świece zapłonowe, nośniki katalizatorów i inne zastosowania. Niestety, wysoka powierzchnia właściwa i gęstość znacznie zwiększają koszty produkcji, podczas gdy właściwości zależą od czynników takich jak czynnik strącający, warunki syntezy i warunki suszenia, które wpływają na jego właściwości.

W związku z tym producenci tlenku glinu potrzebują szybkich i dokładnych przyrządów do charakteryzowania partii tlenku glinu. Urządzenia Anton Paar AutoFlow BET+ i Ultrapyc oferują szybką charakteryzację, aby zapewnić, że partie szybko spełniają specyfikacje; ich technika adsorpcji Brunauer-Emmett-Teller (BET) umożliwia dokładne pomiary SSA i gęstości szkieletu próbek tlenku glinu.

Przewodność cieplna

Przewodność cieplna tlenku glinu zależy od jego składu, morfologii oraz obecności lub braku faz wtórnych. Pierwiastki stopowe mają tendencję do znacznego obniżania przewodności cieplnej - w szczególności Cr > V > Mn > Ti > Zr > Si jako czynniki osłabiające, przy czym te ostatnie mają większy wpływ, gdy występują w postaci roztworów stałych (co oznacza, że ich stężenie pozostaje stałe niezależnie od temperatury) [6,23].

Tlenek glinu zapewnia doskonałą odporność na korozję w kontakcie z różnymi kwasami i solami dzięki silnym jonowym i kowalencyjnym wiązaniom chemicznym między Al3+ i O2-. Ponadto charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia i twardością, dzięki czemu jest w stanie wytrzymać ataki wielu kwasów nieorganicznych, w tym kwasu ortofosforowego i fluorowodorowego.

Ze względu na silne wiązania jonowe między alkaliami i jonami chlorków, nie oferuje tak dużej odporności na korozję ze strony silnych zasad i kwasu solnego.

Polerowanie tlenku glinu w celu uzyskania niezwykle gładkiej powierzchni jest stosunkowo proste, co czyni go idealnym materiałem do szlifowania i frezowania. Co więcej, jego wszechstronne zdolności do nadawania kształtów i rozmiarów umożliwiają wykorzystanie go w wielu procesach przemysłowych.

Oprócz doskonałych właściwości mechanicznych, tlenek glinu charakteryzuje się również doskonałymi właściwościami izolacji elektrycznej oraz wysoką ogniotrwałością. Może wytrzymać wysokie temperatury bez pękania pod ciśnieniem. Tlenek glinu jest od dawna wykorzystywany jako materiał podłoża w zakładach rafinacji ropy naftowej do produkcji katalizatorów, a jednocześnie jest szeroko stosowany jako izolator.

Tlenek glinu charakteryzuje się wyjątkowymi właściwościami rozpraszania ciepła, co czyni go niezbędnym w wielu zastosowaniach przemysłowych. Może wytrzymać temperatury do 900 stopni Celsjusza, a jednocześnie charakteryzuje się niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, co ułatwia pracę z nim w wyższych temperaturach.

Tlenek glinu jest materiałem obojętnym, co oznacza, że nie reaguje z substancjami chemicznymi, które wchodzą z nim w kontakt, chroniąc się przed uszkodzeniem i przedłużając żywotność produktu. Sprawia to, że tlenek glinu jest idealny do urządzeń medycznych, ponieważ długotrwałe użytkowanie lub połknięcie nie spowoduje chemicznej degradacji podłoża ceramicznego, podczas gdy implanty dentystyczne wykonane z tego materiału pozostaną nieuszkodzone przez typowe zabiegi dentystyczne.

Odporność na korozję

Aluminium jest metalem niereaktywnym, co oznacza, że może wytrzymać trudne warunki środowiskowe i chemikalia bez narażania powierzchni lub uszkodzeń strukturalnych. Co więcej, jego odporność na ciepło sprawia, że nadaje się do zastosowań wysokotemperaturowych. Co więcej, jego niska przewodność elektryczna służy do izolacji przed przepływem prądu elektrycznego, podczas gdy jego wytrzymałość wzrasta wraz z poziomem czystości.

Tlenek glinu występuje naturalnie jako związek pierwiastkowy występujący w boksytach, czyli związkach glinu i tlenu. Po wystawieniu na działanie tlenu, jego reakcja powoli tworzy ochronną warstwę tlenku glinu; z czasem substancja ta tworzy twarde stopy z innymi pierwiastkami, takimi jak magnez i miedź, zapewniając wytrzymałość jako mineralny składnik stopowy.

W procesie odlewania tlenek glinu jest nakładany jako powłoka ochronna na metal lub inne podłoża, aby zapobiec korozji poprzez zatrzymanie ich interakcji z otoczeniem. Jest nie tylko trwały, ale jego cienka natura zapewnia, że nie zakłóca normalnego funkcjonowania podłoża pod nim.

Odporność na korozję tlenku glinu może być określona przez jego mikrostrukturę, w szczególności rozkład cząstek CaO, Fe2O3, MgO i Na2O. Co więcej, segregacja zanieczyszczeń na granicach ziaren podczas procesu spiekania odgrywa znaczącą rolę w jego odporności na korozję, podobnie jak krzemiany i inne dodatki stosowane jako środki wspomagające spiekanie.

Badania wykazały, że wstępne utlenianie może znacznie poprawić odporność tlenku glinu na korozję. Ceramika zawierająca 0,85 procenta wagowego Al2O3, wstępnie utleniona w zerowej temperaturze powietrza 1050 stopni Celsjusza przez 4 godziny wykazuje dużą odporność na stopiony chlorek ze względu na gęste i jednolite tworzenie się zgorzeliny, zapewniając ochronę przed atakiem kwasów mineralnych.

Innym sposobem na zwiększenie odporności tlenku glinu na korozję jest dodanie składników z metali szlachetnych, takich jak magnez. Zmniejsza to szybkość reakcji katodowej i zwiększa odporność na korozję - efekt ten staje się jeszcze silniejszy, gdy prędkość chłodzenia gwałtownie wzrasta. Co więcej, obecność zarówno chromu, jak i niklu zmniejsza ryzyko pękania korozyjnego naprężeniowego w ceramice z tlenku glinu.