آلومینیوم اکسید

آلومینیوم اکسید یک ترکیب شیمیایی از آلومینیوم و اکسیژن با فرمول شیمیایی Al 2 O 3 است . این ماده جزء متداول‌ترین اکسیدهای آلومینیوم است و به طور خاص به عنوان اکسید آلومینیوم (III) شناخته می‌شود که معمولاً به آن آلومینا گفته می‌شود ولی ممکن است بسته به فرم یا برنامه های کاربردی خاصaloxide ، aloxite یا alundum نامیده شود.

Aluminium oxide
(Aluminum oxide)
شناساگرها
شماره ثبت سی‌ای‌اس 1344-28-1 Y
پاب‌کم 9989226
کم‌اسپایدر 8164808 Y
UNII LMI26O6933 Y
دراگ‌بانک DB11342
ChEMBL CHEMBL3707210
شمارهٔ آرتی‌ئی‌سی‌اس BD120000
جی‌مول-تصاویر سه بعدی Image 1
Image 2
خصوصیات
فرمول مولکولی Al2O3
جرم مولی ۱۰۱٫۹۶ g mol−1
شکل ظاهری white solid
بوی odorless
چگالی 3.987g/cm3
دمای ذوب ۲٬۰۷۲ درجه سلسیوس (۳٬۷۶۲ درجه فارنهایت؛ ۲٬۳۴۵ کلوین)[1]
دمای جوش ۲٬۹۷۷ درجه سلسیوس (۵٬۳۹۱ درجه فارنهایت؛ ۳٬۲۵۰ کلوین)[2]
انحلال‌پذیری در آب insoluble
انحلال‌پذیری insoluble in all solvents
log P 0.31860[3]
پذیرفتاری مغناطیسی -37.0×10-6 cm3/mol
رسانندگی گرمایی 30 W·m-1·K-1[4]
ضریب شکست (nD) nω=1.768–1.772
nε=1.760–1.763
Birefringence 0.008
ساختار
ساختار بلوری Trigonal hR30 space group = R3c No. 167
ثابت شبکه a = 478.5 pm, c = 1299.1 pm
octahedral
ترموشیمی
آنتروپی مولار
استاندارد So298
 50.92 J·mol-1·K-1[5]
-1675.7 kJ/mol[5]
خطرات
GHS pictograms
لوزی آتش
Flammability code 0: Will not burn. E.g., waterHealth code 0: Exposure under fire conditions would offer no hazard beyond that of ordinary combustible material. E.g., sodium chlorideReactivity code 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g., liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
0
0
0
نقطه اشتعال
آمریکا Permissible
exposure limit (PEL)		 OSHA 15 mg/m3 (Total Dust)
OSHA 5 mg/m3 (Respirable Fraction)
ACGIH/TLV 10 mg/m3
ترکیبات مرتبط
دیگر آنیون‌ها aluminium hydroxide
aluminium sulfide
aluminium selenide
دیگر کاتیون‌ها boron trioxide
gallium oxide
indium oxide
thallium oxide
به استثنای جایی که اشاره شده‌است در غیر این صورت، داده‌ها برای مواد به وضعیت استانداردشان داده شده‌اند (در 25 °C (۷۷ °F)، ۱۰۰ kPa)
 Y (بررسی) (چیست: Y/N؟)
Infobox references

این یک اکسید آمفوتر است و نام های تجاری متنوعی مانند آلومینا، کرندوم دارد. تنوع نام های این اکسید نشان دهنده‌ی کاربرد فراوان این ماده در صنایع گوناگون است.

کرندوم فراوان‌ترین و پایدارترین فرم اکسید آلومینیوم است که در طبیعت وجود دارد که به آن α آلومینا گفته می­ شود. یون­های اکسیژن به صورت هگزاگونال متراکم (HCP) هستند و یون­های Al3+ دو سوم فضاهای خالی هشت وجهی را اشغال نموده اند. در مرکز این ساختار Al3+ به صورت یک هشت وجهی است. در هر سلول واحدHCP، از 2 واحد فرمولی اکسید آلومینیوم تشکیل شده است.

آلومینا همچنین به صورت فازهای دیگر نیز وجود دارد. که آن ­ها را براساس حروف یونانی نام­ گذاری می­ کنند. این فازها عبارتند ازθ: δ,ð, χ, η . هر کدام از این فازها دارای ساختار کریستالی و ویژگی خاص خود هستند. البته تمام این فازها، فازهایی غیرپایدار هستند. پس از حرارت دهی آلومینا و تشکیل این فازها در نهایت فاز α تشکیل می­ شود.

هم چنین می­توان از ناپایداری برخی از فازهای آلومینا استفاده کرد و از فعالیت ­های شیمیایی آنها در کاربردهای خاص بهره برد. برای مثال می­ توان از آن­ها به عنوان کاتالیزور استفاده کرد.

مهم ترین ساختار آلومینا که بیشتر به عنوان کاتالیست در صنایع نفت، ساختارهای کامپوزیتی برای هوا و فضا، پوشش های عایق و پایداری حرارتی مورد استفاده قرار میگیرد ،گاما آلومینا است. گاما آلومینا به دلیل دارا بودن مساحت سطح زیاد بیشترین کاربرد را در صنعت کاتالیست دارد.

اکسید آلومینیوم عایق الکتریکی است اما دارای رسانایی گرمایی نسبتاً بالایی است. البته این رسانایی گرمایی با دما تغییر می­ کند. به دلیل بالا بودن نقطه­ ی ذوب آلومینا این ماده مقاومت و ثبات حرارتی بالایی دارد. سختی بالای کرندوم باعث شده است تا این ماده به عنوان یک جزء مناسب برای کاربردهای ساینده و ابزارهای برش باشد. این طبقه ­بندی پس از الماس، آلومینا در رتبه ­ی دوم قرار دارد.

این ماده به طور طبیعی به صورت چند شکل کریستالی α-Al 2 O 3 به عنوان سنگ معدن یافت می شود که یکی از انواع آن، سنگ های قیمتی یاقوت هستند .

از Al 2 O 3 برای تولید فلز آلومینیوم ، به عنوان ساینده استفاده می شود و همچنین به دلیل سختی آن و نقطه ی ذوب بالا ، به عنوان یک ماده نسوز قابل توجه است. [6]

شکل طبیعی آلومینیوم اکسید

کرندوم یا همان یاقوت،شکل بلورین اکسید آلومینیوم (Al2O۳) بوده که معمولاً دارای ناخالصی‌هایی از آهن، تیتانیوم، وانادیوم و کروم می‌باشد.

یاقوت سرخ و یاقوت کبود نمونه ای از سنگ های قیمتی هستند که رنگ های آن ها به خاطر وجود ناخالصی هاست.

رنگ قرمز موجود در یاقوت قرمز به دلیل وجود ناخالصی کروم می باشد و همچنین یاقوت کبود در رنگ های مختلفی وجود دارد که توسط ناخالصی های مختلف دیگر مانند آهن و تیتانیوم در آن به وجود آمده است.

خواص

پودر اکسید آلومینیوم

Al 2 O 3 یک عایق الکتریکی است اما دارای هدایت حرارتی نسبتاً بالا ( 30 Wm−1K−1 ) [4] برای یک ماده سرامیکی است. اکسید آلومینیوم در آب محلول نیست. شکل متبلور متداول آن ، اکسید کوراندوم یا α- آلومینیوم است که به خاطر سختی ای که دارد باعث می شود که بتواند به عنوان ساینده و به عنوان یک جزء در ابزارهای برش استفاده شود . [6]

اکسید آلومینیوم در واقع عامل مقاومت آلومینیوم فلزی در برابر هوازدگی است . آلومینیوم فلزی با اکسیژن اتمسفر بسیار واکنش پذیر است و یک لایه ی غیر فعال نازک از اکسید آلومینیوم (غیرفعال سازی (به انگلیسی: Passivation) در شیمی‌فیزیک به فرایند مقاوم شدن فلزات در مقابل خوردگی و زنگ زدگی گفته می‌شود) به ضخامت 4 نانومتر در هر صدم پیکو ثانیه د سطح آلومینیوم در معرض تشکیل قرار میگیرد. [7] این لایه از فلز در برابر اکسیداسیون، بیشتر محافظت می کند. ضخامت و خصوصیات این لایه ی اکسید را می توان با استفاده از فرایندی به نام آندایزینگ (به فرایندی برق‌کافتی که در آن لایه‌ای پایدار را که عموماً اکسیدی و دارای خواص محافظتی یا تزیینی است بر سطح فلز می‌نشانند آنُدِش یا آنادایزینگ (anodizing) می‌گویند) افزایش داد .

در تعدادی از آلیاژها ، مانند برنزهای آلومینیوم ، از این خاصیت در آلیاژ برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی ، استفاده می کنند. اکسید آلومینیوم تولید شده توسط آنودایزینگ به طور معمول بی شکل است ، اما فرایندهای اکسیداسیون با تخلیه مانند اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما منجر به افزایش قابل توجهی اکسید آلومینیوم بلوری در پوشش فلز می شود و سختی آن را افزایش می دهد.

اکسید آلومینیوم در سال 1988 از لیست مواد شیمیایی سازمان حفاظت از محیط زیست ایالات متحده آمریکا( این سازمان مشهور به EPA، یک سازمان دولتی در آمریکا است که از ۱۹۷۰ تا کنون مسئولیت کنترل و توسعه قوانین و سیاستهای رسمی دولت در محافظت از محیط زیست در ایالات متحده آمریکا را داشته است) خارج شد.

طبیعت آمفوتریک

اکسید آلومینیوم یک ماده ی آمفوتریک است (آمفوتر یا دوخصلتی ماده‌ای است که می‌تواند در واکنش با باز به عنوان اسید و با اسید به عنوان باز شرکت کند. همچنین می‌تواند در مقابل تغییرات جزئی اسید و باز مقاومت کند. آمفوتر مولکول یا یون است) یعنی می تواند به عنوان اسید یا باز (مانند اسید هیدروفلوریک و هیدروکسید سدیم) در واکنش هایی مانند خنثی سازی و تولید نمک شرکت کند.

Al 2 O 3 + 6 HF → 2 AlF 3 + 3 H 2 O
Al 2 O 3 + 2 NaOH + 3 H 2 O → 2 NaAl (OH) 4

ساختار

کرندوم از برزیل اندازه حدود 2 × 3 سانتی متر

رایج ترین شکل اکسید آلومینیوم کریستالی به عنوان کوراندوم شناخته می شود که فرم پایدار ترمودینامیکی است. [8] یون های اکسیژن با یون های آلومنیوم، یک ساختار شبکه کریستالی هگزاگونال فشرده را تشکیل می دهند. از نظر کریستالوگرافی ، کرندوم یک شبکه مثلثی Bravais با یک گروه فضایی R ۳ c (شماره 167 در جداول بین‌المللی) است که سلول واحد آن حاوی فرمول اکسید آلومینیوم است.

اکسید آلومینیوم در فازهای دیگر، از جمله فازهای مکعب γ و η ، فاز مونوکلینیک θ ، فاز شش ضلعی χ ، فاز ارتورومبیک و فاز δ وجود دارد. [8] [9] هرکدام دارای ساختار و خصوصیات بلوری منحصر به فردی هستند. مکعب γ-Al 2 O 3 دارای کاربردهای فنی مهمی است. ثابت شده که به اصطلاح، β-Al 2 O 3 NaAl 11 O 17 است .

اکسید آلومینیوم مذاب در نزدیکی دمای ذوب تقریباً 2/3 چهار ضلعی است (یعنی 2/3 آن توسط 4 اکسیژن همسایه احاطه شده است) ، و 1/3 آن با Al-O 5 احاطه شده است. [10] حدود 80٪ از اتمهای اکسیژن در سه یا چند Al-O در چند وجهی تقسیم می شود و اکثر اتصالات در چند وجهی با گوشه ها مشترک هستند (با 10-20 درصد باقیمانده از لبه)

تفکیک اکتاهدرای بر اثر ذوب، با افزایش حجم نسبتاً بزرگ (تقریباً 20٪) همراه است، چگالی آن 2.93 گرم بر سانتی متر مکعب است. [11] ساختار آلومینای مذاب وابسته به دما است و بر اثر سرد کردن آن در کسری از ورقه های آلومنیوم 5و6 ، افزایش طول ایجاد می شود. در این صورت ساختار سلول واحد ALO 4 بزرگ شده و تغییر می کند و این باعث پیدایش ساختار آمورف آلومینا شده است. [12]

تولید

آلومینیوم هیدروکسید، سنگ معدن اصلی آلومینیوم است . مخلوطی از مواد معدنی شامل سنگ بوکسیت ، از جمله gibbsite (Al (OH) 3 ) ، بوهمیت (γ-AlO (OH)) و دیاسپور (α-AlO (OH)) ، همراه با ناخالصی های اکسیدهای آهن و هیدروکسیدها ، کوارتز و مواد معدنی رس می باشد. [13] بوکسیت ها در لاتریت ها یافت می شوند. بوکسیت با فرایند بایر خالص می شود :

Al 2 O 3 + H 2 O + NaOH → NaAl (OH) 4
Al (OH) 3 + NaOH → NaAl (OH) 4

به جز SiO 2 ، سایر اجزای بوکسیت در باز حل نمی‌شوند. بر اثر فیلتر شدن مخلوط ، Fe 2 O 3 حذف می شود. وقتی مایعات Bayer خنک می شود ، Al (OH) 3 رسوب می کند و سیلیکات ها در محلول باقی می مانند.

NaAl (OH) 4 → NaOH + Al (OH) 3

سپس جامد ژیپسیت Al (OH) 3 تکلیس (یا کشته سازی (به انگلیسی: Calcination) اصطلاحی در علم مواد و شیمی است که به حرارت دادن مواد برای پیرولیز، حذف رطوبت، تشکیل ترکیبات واسط، انجام واکنش در حالت جامد و نفوذ گفته می‌شود) می شود (تا بیش از 1100 درجه سانتیگراد گرم می شود ) و اکسید آلومنیوم تولید می شود: [6]

2 Al (OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O

اکسید آلومینیوم محصول چند فاز می باشد، یعنی متشکل از چندین فاز اکسید آلومینیوم و نه تنها کرندوم . [9] بنابراین می توان فرایند تولید را برای تولید یک محصول متناسب بهینه کرد. نوع فازهای موجود ، به عنوان مثال ، بر حلالیت و ساختار منافذ اکسید آلومینیوم تأثیر می گذارد که به نوبه خود ، در هزینه تولید آلومینیوم و کنترل آلودگی نیز تأثیر گذار است.

برنامه‌های کاربردی

آلومینا آلفا در جوامع علوم مواد یا آلوندوم (به صورت ذوب شده) یا آلوکسیت [14] در معادن و سرامیک ها پیدا می شود که در تولید اکسید آلومینیوم از آن استفاده گسترده ای می شود. تولید جهانی اکسید آلومینیوم در سال 2015 تقریباً 115 میلیون تن بوده است که بیش از 90٪ آن در تولید فلز آلومینیوم استفاده می شود. [6] عمده استفاده از اکسیدهای آلومینیوم در مواد نسوز ، سرامیک ، پرداخت و مواد ساینده است. از تناژهای زیاد هیدروکسید آلومینیوم ، که آلومینا از آن بدست می آید ، در ساخت زئولیت (یک ماده معدنی است که عمدتاً از آلومینوسیلیکات تشکیل شده و کاربرد تجاری عمده آن در صنایع یه عنوان جاذب سطحی است) به عنوان پوشش رنگدانه های تیتانیا و بازدارنده آتش و مهار کننده دود استفاده می شود.

بیش از 90٪ اکسید آلومینیوم ، که به طور معمول ((Smelter Grade Alumina (SGA) نامیده می شود ، برای تولید آلومینیوم (معمولاً با فرایند هال-هرولت) مصرف می شود. درصد باقیمانده ی آن ، که به طور معمول آلومینای ویژه نامیده می شود ، در طیف گسترده ای از برنامه ها استفاده می شود که نشان دهنده بی اثر بودن مقاومت آن در برابر دما و الکتریسیته است.

پرکننده‌ها

اکسید آلومینیوم ماده پر کننده پلاستیک است و از نظر شیمیایی نسبتاً بی اثر و سفید است. اکسید آلومینیوم یک ماده رایج در ضد آفتاب است و گاهی اوقات در مواد آرایشی مانند رژگونه ، رژ لب و لاک ناخن نیز وجود دارد.

شیشه

در بسیاری از فرمولاسیون های شیشه ، از اکسید آلومینیوم به عنوان ماده تشکیل دهنده استفاده می شود. شیشه آلومینو سیلیکات نوعی شیشه است که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد و اغلب حاوی 5٪ تا 10٪ آلومینا است.

تجزیه و تحلیل

اکسید آلومینیوم واکنشهای مختلفی را که از نظر صنعتی مفید هستند، تجزیه می کند. اکسید آلومینیوم در بزرگترین کاربرد خود ، کاتالیزور فرایند کلاوس برای تبدیل گازهای زائد سولفید هیدروژن به گوگرد اولیه در پالایشگاه ها است. همچنین برای گرفتن آب الکل ها و تبدیل آن به به آلکنها مفید است.

اکسید آلومینیوم به عنوان یک پشتیبانی از کاتالیزور برای بسیاری از کاتالیزورهای صنعتی مانند موارد استفاده شده در هیدرودسولفوریزاسیون (هیدرودسولفوریزاسیون (Hydrodesulfurization) یا HDS یک فرایند شیمیایی فروکافت است که به فراوانی در حذف گوگرد (S) از گاز طبیعی و محصولات نفتی پالایش شده از نفت مانند بنزین، سوخت جت، نفت سفید، سوخت دیزل و روغن‌های سوختی کاربرد دارد) و برخی از پلیمریزاسیون های زیگلر-ناتا استفاده می شود.

تصفیه گاز

اکسید آلومینیوم به طور گسترده ای برای حذف آب از جریان گاز استفاده می شود. [15]

ساینده

همچنین از اکسید آلومینیوم برای سختی و مقاومت استفاده می شود. شکل طبیعی آن یعنی Corundum ، نه درجه سختی معدنی در مقیاس Mohs است (به منظور سنجش سختی کانیها ده کانی به عنوان مبنای سختی انتخاب شده‌است که از لحاظ سخت بودن هرکدام یک درجه کامل فرق دارند. زیرا بعضی کانی‌ها از هم دیگر نیم درجه یا به صورت کسری تفاوت دارند؛ و با خراشیدن یکی بر روی یکی دیگر از این ده کانی می‌توان سختی سایر کانی‌ها را با آن‌ها مقایسه کرد. این مقیاس به نام مقیاس موس معروف است)

این ماده به عنوان ساینده ، از جمله به عنوان یک جایگزین بسیار ارزان قیمت برای الماس ، بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. در بسیاری از انواع کاغذ سنباده، از بلورهای اکسید آلومینیوم استفاده می شود. علاوه بر این، کم بودن ظرفیت گرمایی یا حرارتی ویژه ی آن به طور گسترده ای در عملیات سنگ زنی به ویژه قطع ابزار استفاده می شود.به عنوان ماده معدنی ساینده، پودر آلوکسیت ، به همراه سیلیس، در نوک نشانه ی کیو (چوبدستی است یک تکه که به تدریج از انتها به سمت نوک، باریک میشود و به صورت یک تکه و یا از دو تکه چوب که در قسمت میانی با یک بست فلزی یا رزین فنولیک به هم متصل میشوند، ساخته شده است) در بیلیارد استفاده می شود. از پودر اکسید آلومینیوم در برخی پولیش CD / DVD استفاده می شود. همچنین در خمیردندان هم از آن استفاده می شود. این ماده همچنین در میکرودرم ابریژن (پوست‌سابی یا دِرم ابرِیژن (به انگلیسی: Dermabrasion) نوعی لایه‌برداری لایه‌های سطحی پوست است که به‌منظور زیباسازی، جوان‌سازی و رفع جوشگاه (اسکارِ) سطحیِ پوست انجام می‌گیرد) هم در فرایند ماشینی که از طریق متخصصان پوست و زیبایی در دسترس است، استفاده می شود.

رنگ کردن

از پوسته های اکسید آلومینیوم در رنگ ها برای جلوه های تزئینی مانند صنایع خودرو یا لوازم آرایشی استفاده می شود.

فیبر کامپوزیت

از اکسید آلومینیوم در چند ماده به عنوان الیاف تجربی و تجاری برای کاربردهای با کارایی بالا استفاده شده است (به عنوان مثال ، فیبر FP ، Nextel 610 ، Nextel 720). به ویژه نانوالیاف آلومینا به یک زمینه تحقیقاتی مورد علاقه تبدیل شده است.

زره بدن

در ساخت برخی از زره پوش های بدن از صفحات سرامیک آلومینا استفاده می کنند ، که معمولاً در ترکیب با UHMWPE ( پلی اتیلن بسیار سنگین که با نامهای UHMWPE,UHMW نیز شناخته میشود، یکی از زیر مجموعه های نوعی ترموپلاستیک با نام پلی اتیلن است) برای دستیابی به مقاومت بیشتر در برابر تهدیدات تفنگ وجود دارد. زره پوش های سرامیکی آلومینا به راحتی در دسترس غیرنظامیان در حوزه های قضایی است که استفاده از آن ها قانونی است اما درجه نظامی محسوب نمی‌شود. [16]

محافظت در برابر سایش

اکسید آلومینیوم را می توان به عنوان پوشش روی آلومینیوم، با استفاده از آندش یا با اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما (یک روش مهندسی سطح برای فلزات سبک همچون آلومینیم، منیزیم و تیتانیم و نیز آلیاژهایشان می‌باشد. درحین این فرایند، سطح آلیاژ منیزیم تبدیل به یک سرامیک سخت می‌شود، درون حمام الکترولیت، از انرژی تخلیه الکتریکی بسیار بالا استفاده می‌شود) رشد داد. ویژگی های سختی و مقاومت در برابر سایش پوشش، از مقاومت بالای اکسید آلومینیوم نشات می گیرد ، با این حال لایه پوشش متخلخل تولید شده با روش های آندش باعث تولید آلیاژ های فولاد-کربن شده است که بسیار سخت هستند اما سختی آن به طور قابل توجهی پایین تر از سختی کرندوم طبیعی و مصنوعی است.

تولید اکسید آلومینیوم در سال 2005

از آلومینای پودر شده برای ساخت کاشی هایی استفاده می شود که در داخل خطوط سوخت و کانال دودکش در نیروگاه های زغال سنگ استفاده می شود تا از نواحی با سایش زیاد محافظت کنند. آنها برای مناطقی که نیروهای وارده، ضربه ی زیادی دارند، مناسب نیستند، زیرا این کاشی ها شکننده و مستعد شکستن هستند.

عایق الکتریکی

اکسید آلومینیوم یک عایق الکتریکی است که در مدارهای مجتمع استفاده می شود. همچنین به عنوان ماده ای برای تونل‌زنی کوانتومی (به فرایند کوانتومی تونل زدن یک ذره بنیادی در یک سد پتانسیل - که از نظر کلاسیک، ذره قادر به عبور از آن نیست - اشاره دارد) برای ساخت دستگاه های ابررسانا مانند ترانزیستورهای تک الکترون و دستگاه های تداخل کوانتومی ابررسانا ( SQUIDs ) استفاده می شود.

می توان Al 2 O 3 را با تبادل شیمیایی بین تری متیل آلومینیوم (Al (CH 3 ) 3 ) و H 2 O تولید کرد: [17]

2 Al (CH 3 ) 3 + 3 H 2 O → Al 2 O 3 + 6 CH 4

H 2 O در واکنش فوق می تواند با ازون (O 3 ) به عنوان اکسید کننده فعال جایگزین شود و سپس واکنش زیر اتفاق می افتد: [18] [19]

2 Al (CH 3 ) 3 + O 3 → Al 2 O 3 + 3 C 2 H 6

از اکسید آلومینیوم ، به عنوان یک دی الکتریک با نوار ممنوعه نسبتاً زیاد (در فیزیک حالت جامد نوار ممنوعه، فاصله نوار، یا شکاف انرژی (به انگلیسی: Band gap) به منطقه‌ای از طیف انرژی در یک جامد گفته می‌شود که در آن منطقه از طیف هیچ حالت الکترونیکی نمی‌تواند وجود داشته باشد) به عنوان یک عایق در خازن ها استفاده می شود.

موارد دیگر

در روشنایی ، از اکسید آلومینیوم شفاف در برخی از لامپ های بخار سدیم استفاده می شود . [20] از اکسید آلومینیوم در تهیه سوسپانسیون های پوششی در تهیه ی لامپهای کم مصرف فلورسنت نیز استفاده می‌شود.

در آزمایشگاه های شیمی ، اکسید آلومینیوم واسطه ای برای کروماتوگرافی است که به صورت باز (با PH 9.5) ، اسید (با pH 4.5 در هنگام آب) و خنثی موجود است.

برنامه های بهداشتی و پزشکی آن شامل کاربرد در جایگزینی لگن [6] و قرص های جلوگیری از بارداری می شود.

همچنین به عنوان تشعشع سنج برای محافظت در برابر اشعه کاربرد دارد.

عایق های کوره های با درجه حرارت بالا اغلب از اکسید آلومینیوم ساخته می شود. بعضی اوقات بسته به درجه حرارت ماده ، عایق دارای درصد متفاوتی از سیلیس است. عایق ها به صورت پتو ، تخته ، آجر و الیاف سست برای کاربرد های مختلف ساخته شده است.

قطعات کوچک اکسید آلومینیوم اغلب به عنوان تراشه هایی برای جوش در شیمی استفاده می‌شود.

همچنین آلومینا با استفاده از فرایند پاشش حرارتی (نام کلی برای مجموعه‌ای از روش‌هایی است که برای ایجاد پوشش در سطح قطعات، با استفاده از ترکیبی از انرژی حرارتی و انرژی جنبشی انجام می‌گیرد. تقسیم‌بندی‌های مختلفی برای فرایندهای ترمال اسپری ارائه شده‌است) و مخلوط شدن با تیتانیوم دی اکسید ، روی سطح برخی از رینگ های دوچرخه پوشش داده می شود تا در برابر سایش و مقاومت ایجاد شود.

بیشتر چشم های سرامیکی روی میله های ماهیگیری، حلقه های دایره ای ساخته شده از اکسید آلومینیوم هستند.

انواع آلومینا

از لحاظ تجاری انواع مختلفی از آلومینا وجود دارد که هر تولید کننده با توجه به نیازهایی که از آلومینا دارد، یک یا چند نوع از آن را استفاده می­ کند. در ادامه به معرفی انواع مختلف آلومینا می‌پردازیم:

آلومینای اسملتر

این نوع آلومینا از هیدروکسید آلومینیوم و با استفاده از کوره های دوار تولید می شده است. اما امروزه بوسیله ی کلساینرهای فلوید فلش یا بستر مایع تولید می شوند. در فرایندهای فلوید فلش اولین اتفاقی که رخ می دهد این است که آب آزاد ماده خارج می گردد و سپس آب ساختاری که به صورت شیمیایی در ترکیب وجود دارد، از دست می رود .آلومینای بدون آب اساساً به فرم آلومینای اکتیو است .

آلومینای کلسینه شده

ناخالصی اصلی موجود در این نوع آلومینا، اکسید سدیم است. انواع مختلفی از این نوع آلومینا تولید می­ شود که از لحاظ اندازه­ ی کریستال ها، مورفولوژی و ناخالصی­ های شیمیایی متفاوت اند.

گریدهای آلومینای کلسینه شده عمدتاً براساس میزان اکسید سدیم به سه گروه: دارای اکسید سدیم معمولی، دارای اکسید سدیم متوسط و دارای اکسید سدیم کم تقسیم ­بندی می شوند. در بسیاری از کاربردها مخصوصا کاربردهای الکتریکی و الکترونیکی نیاز است تا میزان اکسید سدیم موجود در آلومینا بسیار کم باشد. یک آلومینای با اکسید سدیم کم عموماً آلومینایی است که درصد اکسید سدیم آن زیر 1/0% وزنی باشد. این نوع آلومینا را می­ توان به روش­ های مختلفی مانند شستشو با اسید، افزودن کلر، افزودن بور و استفاده از ترکیبات جاذب سدیم، تولید کرد.

آلومینای راکتیو

آلومینای راکتیو واژه­ای است که معمولاً به آلومینای با خلوص نسبتاً بالا و اندازه­ ی کریستالی کوچک (کوچک تر از یک میلی متر) اطلاق می­ شود. این آلومینا بدنه­ ای با چگالی بالا تشکیل می ­دهد.

بنابر تعریف دیگر ، آلومینای راکتیو آلومینایی است که بتواند بدنه ­ای را تشکیل بدهد که چگالی آن پس از پخت ،بالا و دمای پخت نسبتاً پایین (حدود 1650-1550 درجه سانتیگراد) داشته باشد. ضمناً درصد اکسید سدیم موجود در این نوع آلومینا به دقت کنترل می­ شود و سعی می­ شود تا حد امکان کم باشد. این نوع آلومینا در جاهایی استفاده می­ شود که نیازمند استحکام استثنایی، مقاومت به سایش، مقاومت دمایی و پایداری شیمیایی هستیم. در واقع در جاهایی که رفتار مکانیکی بدنه­ ی تولیدی در دمای بالا برای ما اهمیت دارد ،از این نوع آلومینا استفاده می­کنیم.

آلومینای تبولار

آلومینای تبولارهمان آلومینای α است که تف جوشی شده است و به این خاطر تبولار نامیده می ­شود . تف‌جوشی چسباندن یا چسبیدن ذرات یک یا چند ماده به یکدیگر از طریق ذوب سطحی براثر حرارت، همراه با فشار یا بدون آن، به‌طوری‌که به صورت یک توده جامد درآیند. این نوع آلومینا بوسیله ­ی رسوب دادن و یا پرس کردن آلومینای کلسینه شده و سپس حرارت دادن اشکال بدست آمده در دمای زیر نقطه ­ی ذوب آلومینا در کوره­ ی محوری تولید می ­شود.

به خاطر اینکه این مواد تف جوشی می­ شوند، در نتیجه تخلخل آن­ها پایین است. همچنین این نوع آلومینا دارای پایداری شیمیایی خوب و دیرگدازی بالا است که با توجه به این ویژگی­ها از آن در تولید انواع دیرگدازها استفاده می­ شود. در واقع مهم‌ترین کاربرد این نوع آلومینا در ساخت دیرگدازهای ریختنی و شکل دار است.

ذرات تبولار معمولاً به صورت ذرات کشیده و دارای گوشه­های تیز است. این مسأله به خاطر رشد هگزاگونال آلومینا است که باعث می­شود ذرات تبولار به جای کروی بودن، سوزنی شکل بشوند.

تخلخل ذرات تبولار نزدیک به صفر است به همین خاطر این نوع آلومینا به افزایش استحکام بدنه کمک می­ کند.

آلومینای فیوزد

آلومینای فیوزد در کوره ­ی قوس الکتریکی تولید می­شود. نحوه‌ی کار این کوره بدین صورت است که جریان بزرگی از الکتریسیته از میان الکترودهای کربنی کوره قوس الکتریکی عبور می­کند. گرمای تولیدی در این پروسه که حدود دو هزار درجه سانتی گراد است، سبب ذوب شدن آلومینا و یا بوکسیت (به عنوان مواد اولیه) می­ گردد.

پس از آن آلومینای ذوب شده به صورت شمش­ ریخته­ گری و به مدت حداقل یک هفته سرد می­ شود. در مرحله بعدی شمش­ ها خرد و بر اساس اندازه ذرات طبقه بندی می­ شوند.

معمولاً برای تولید هر تن آلومینای فیوزد در کوره قوس الکتریکی دوهزار کیلووات ساعت انرژی الکتریسته نیاز است. آلومینای فیوزد دارای چگالی بالا، تخلخل پایین، نفوذپذیری پایین و دیرگدازی بالا است. به خاطر این خواص از این نوع آلومینا در تولید ساینده ­ها و دیرگدازها استفاده می­ شود. سه کاربرد عمده ­ی آلومینای فیوزد عبارت است از: ساینده­ ها، دیرگدازها، ساب پاشی .

ساب پاشی فرایندی است که در آن ذرات ساینده تحت فشار هوا روی سطح قطعات فولادی پاشیده می‌شود تا برای رنگ‌کاری آماده شوند.

فرم ­های مختلفی از آلومینای فیوزد وجود دارد که عبارتند از:

WFA

آلومینای کلیسنه ماده اولیه برای تولید آلومینای ذوبی سفید است. در بین انواع آلومینای فیوزد، خالص­ترین نوع محسوب می­ شود. همچنین اکسید سدیم از مهم ­ترین ناخالصی در این نوع آلومینا به شمار می­ آید. آلومینای فیوزد سفید اساساً در صنایع دیرگداز به کار می ­رود. کاربردهای دیگر آن برای سایش آلیاژها و فولادهای عملیات حرارتی شده است. لازم به ذکر است که این نوع آلومینا برای کاربرد در ساینده­ های پوششی و همچنین برای سایش سطوح زبر و استفاده در چرخ­ های ساینده مناسب نیست.

BFA

کاربرد این نوع آلومینا در صنایع ساینده و بخصوص در چرخ­ های ساینده برای مواد با استحکام بالا و ساینده ­های پوشش داده شده مثل کاغذها و تسمه ­ها و دیسک ­ها برای سایش چوب و پرداخت فلزات می­ باشد. این نوع آلومینا بیش­ترین کاربرد را دارد. معمولاً برای تهیه ­ی آن یک عملیات حرارتی اضافی نیز به کار گرفته می­ شود. عملیات حرارتی سبب بالا رفتن چقرمگی در این آلومینا می ­شود. این عملیات هم می­ تواند در دمای پایین و هم در دمای بالا انجام شود. عملیات در دمای بالا سبب ایجاد رنگ مایل به آبی در دانه­ ها می­ شود.

PFA

رنگ این نوع آلومیناهای ذوبی به میزان ناخالصی اکسید کروم موجود در آلومینای کلسینه شده، بستگی دارد. روش تولید آن­ها مشابه با آلومینای ذوبی سفید است و تقسیم بندی آن­ها عبارت است از:

آلومینای ذوبی صورتی با 07/0 تا 2/0 درصد Cr2O3

آلومینای ذوبی سرخ با 2/0 تا 7/0 درصد Cr2O3

آلومینای ذوبی یاقوتی با 5/1 تا 5/2 درصد Cr2O3

از نظر کاربرد، آلومینای ذوبی صورتی برتری محسوسی نسبت به آلومینای ذوبی سفید ندارد. تنها رنگ این دو متفاوت است که این امر می­ تواند باعث پنهان کردن لکه­ های ناشی از اکسید آهن که در چرخ­ های ساینده با آلومینای ذوبی سفید مشخص می­ باشند، گردد.

آلومینای ذوبی سیاه

ذوب بوکسیت بدون اعمال اتمسفر احیاء منجر به ایجاد یک توده ترد سیاه رنگ می شود. پودرهای بدست آمده از آن در اروپا در تولید ساینده ­های پوششی و در صنایع اپتیکی و نوری استفاده می ­شود. این مواد به عنوان ماده ­ای با کیفیت اندکی پایین ­تر از آلومینای ذوبی قهوه ­ای برای کاغذهای سمباده به کار گرفته می­ شود.

آلومینای حباب‌دار

این نوع آلومینا دارای تخلخل زیادی است. تخلخل­ های این نوع آلومینا به سطح دانه ها راه ندارد. این نوع آلومینا دارای چگالی پایینی است و به خاطر خاصیت سبکی و عایق بودن در ساخت بدنه های عایق استفاده می­ شوند. این نوع آلومینا بوسیله ­ی دمش هوا به داخل کوره­ ی قوس الکتریکی تولید می ­شود.

آلومینای اکتیو

 
آلومینای کلسینه شده در دمای پایین را آلومینای اکتیو می­ گویند. به خاطر دمای پایین کلسیناسیون درصد فازهای غیر α در آن زیاد است. به خاطر بالا بودن فعالیت شیمیایی فازهای غیر α در آلومینا، این نوع آلومینا فعالیت شیمیایی بالایی دارد و از این رو از آن در ساخت کاتالیزورها استفاده می­ شود.

آلومینای خشن تراش

ساختار ریز دانه کریستال ­های آن باعث می ­شود چقرمگی بیش ­تری از خود نشان داده و بدون آن که دانه ­های سازنده از بدنه سنگ سنباده جدا شود لبه­ های هر دانه به مرور شکسته شده و لبه­ های برشی جدیدی پدید آید. این نوع آلومینا در عملیات سنگ زنی که فشار زیادی به سنگ وارد می ­شود؛ بکار می رود. مثل عملیات زائده برداری قطعات ریخته گری شده.

کاربردهای آلومینا

آلومینا در زمینه­های مختلف صنعتی کاربرد دارد. در ادامه اشاره­ ای به برخی از کاربردهای آن داریم:

کاربردهای بیومتریالی

آلومینا از لحاظ شیمیایی یک اکسید آمفوتر و خنثی است. به خاطر وجود این ویژگی، آلومینا مقاومت به خوردگی مناسبی دارد. محیط بدن موجودات زنده محیطی خورنده است. و درصورت عدم تناسب میان یک ایمپلنت و بدن، بدن آن را دفع می کند. این دفع کردن به همراه تحریک سیستم دفاعی بدن علیه ماده ی خارجی است از این رو نوع ماده ی مورد استفاده در ساخت ایمپلنت و پروتز بسیار مهم می باشد. آلومینا دارای دو ویژگی است که توانسته خود را به عنوان یک ماده ی زیست سازگار پذیر مطرح کند. این دو ویژگی عبارتند از:

1-آلومینا از لحاظ شیمیایی خنثی است.

2-آلومینا با محیط بدن سازگاری دارد

البته آلومینا نیز مانند سایر سرامیک ها ماده ای ترد است و استحکام کششی آن پایین است. از این رو در هنگام استفاده از سرامیک ها (آلومینا) در ساخت پروتزها با مشکل ابعادی روبرو هستیم. در واقع نمی‌توانیم هر قطعه ای با هر ابعادی را از جنس سرامیکی تهیه کنیم. به صورت کلی اگر قطعه ی ما کوچک باشد مانند دندان و یا استخوان های کوچک ما می توانیم از سرامیک استفاده کنیم اما اگر استخوان ما برزگ

باشد استخوان ران یا ساق پا دیگر نمی‌توانیم از سرامیک در ساخت آن استفاده کنیم.

دیرگدازها

مواد نسوز یا دیرگداز به کلیه موادی اطلاق می‌شود که در درجه حرارت بالا خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و ترمومکانیکی آن تغییر نمی‌کند و بخصوص در مقابل فشار، سایش، شوک حرارتی و خوردگی شیمیائی از خود مقاومت لازم را نشان می‌دهند.

از آلومینا می ­توان در ساخت نسوزهای شکل­ دار و بی­ شکل استفاده کرد. انواع مختلفی از نسوزها که بر پایه­ ی آلومینا تولید می ­شوند عبارت اند از: آجرهای آلومینایی، کامپوزیت­ های آلومینایی، دیرگدازهای آلومینا. در واقع آلومینا مقاومت به خوردگی خوبی دارد اما در برابر مذاب و سرباره به سرعت خورده می ­شود از این رو برای افزایش مقاومت به خوردگی آن از مواد کربنی استفاده می ­شود. مواد کربنی مانند کک، قیر و گرانیت به صورت کامپوزیت با آلومینا استفاده می شوند. نسوزهای آلومینا-گرانیت به خاطر پدید آمدن خاصیت عدم تر شوندگی خواص مقاومتی در برابر خوردگی خوبی دارند.

ساینده‌ها

همان طور که قبلاً اشاره شد آلومینا دارای سختی بالایی است و در واقع پس از الماس قرار دارد. به خاطر سختی بالای این ماده از آن در تولید ابزارهای برنده و ساینده­ ها استفاده می­ شود.

کاربردهای الکتریکی

آلومینا استحکام دی الکتریک بالایی دارد و می­ تواند به عنوان پایه مدار، عایق شمع اتومبیل، پوشش لامپ ­های بخار سدیم از آن استفاده کرد. کاربرد آلومینا در مدارات با فرکانس بالا اهمیت پیدا می­ کند. در واقع گرمای پدید آمده دراین مدارات می­ تواند مواد متداول مانند پلاستیک را ذوب کرده و تنها مواد سرامیکی هستند که می­ توانند در این شرایط تحمل داشته باشند.

همچنین ببینید:

منابع:

  1. Patnaik, P. (2002). Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-049439-8.
  2. Raymond C. Rowe; Paul J. Sheskey; Marian E. Quinn (2009). "Adipic acid". Handbook of Pharmaceutical Excipients. Pharmaceutical Press. pp. 11–12. ISBN 978-0-85369-792-3.
  3. "Aluminum oxide_msds".
  4. Material Properties Data: Alumina (Aluminum Oxide) بایگانی‌شده در ۲۰۱۰-۰۴-۰۱ توسط Wayback Machine. Makeitfrom.com. Retrieved on 2013-04-17.
  5. Zumdahl, Steven S. (2009). Chemical Principles 6th Ed. Houghton Mifflin Company. ISBN 978-0-618-94690-7.
  6. "Alumina (Aluminium Oxide) – The Different Types of Commercially Available Grades". The A to Z of Materials. 2002-05-03. Archived from the original on 10 October 2007. Retrieved 2007-10-27.
  7. Campbell, Timothy; Kalia, Rajiv; Nakano, Aiichiro; Vashishta, Priya; Ogata, Shuji; Rodgers, Stephen (1999). "Dynamics of Oxidation of Aluminium Nanoclusters using Variable Charge Molecular-Dynamics Simulations on Parallel Computers" (PDF). Physical Review Letters. 82 (24): 4866. Bibcode:1999PhRvL..82.4866C. doi:10.1103/PhysRevLett.82.4866. Archived from the original (PDF) on 2010-07-01.
  8. I. Levin; D. Brandon (1998). "Metastable Alumina Polymorphs: Crystal Structures and Transition Sequences". Journal of the American Ceramic Society. 81 (8): 1995–2012. doi:10.1111/j.1151-2916.1998.tb02581.x.
  9. Paglia, G. (2004). "Determination of the Structure of γ-Alumina using Empirical and First Principles Calculations Combined with Supporting Experiments" (free download). Curtin University of Technology, Perth. Retrieved 2009-05-05.
  10. Skinner, L.B.; et al. (2013). "Joint diffraction and modeling approach to the structure of liquid alumina". Phys. Rev. B. 87 (2): 024201. Bibcode:2013PhRvB..87b4201S. doi:10.1103/PhysRevB.87.024201.
  11. Paradis, P.-F.; et al. (2004). "Non-Contact Thermophysical Property Measurements of Liquid and Undercooled Alumina". Jpn. J. Appl. Phys. 43 (4): 1496–1500. Bibcode:2004JaJAP..43.1496P. doi:10.1143/JJAP.43.1496.
  12. Shi, C; Alderman, O L G; Berman, D; Du, J; Neuefeind, J; Tamalonis, A; Weber, R; You, J; Benmore, C J (2019). "The structure of amorphous and deeply supercooled liquid alumina". Frontiers in Materials. 6 (38): 38. Bibcode:2019FrMat...6...38S. doi:10.3389/fmats.2019.00038.
  13. "Bauxite and Alumina Statistics and Information". USGS. Archived from the original on 6 May 2009. Retrieved 2009-05-05.
  14. "Aloxite". ChemIndustry.com database. Archived from the original on 25 June 2007. Retrieved 24 February 2007.
  15. Hudson, L. Keith; Misra, Chanakya; Perrotta, Anthony J.; Wefers, Karl and Williams, F. S. (2002) "Aluminum Oxide" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a01_557.
  16. "Ballistic Resistance of Body Armor" (PDF). US Department of Justice. NIJ. Retrieved 31 August 2018.
  17. Higashi GS, Fleming (1989). "Sequential surface chemical reaction limited growth of high quality Al2O3 dielectrics". Appl. Phys. Lett. 55 (19): 1963–65. Bibcode:1989ApPhL..55.1963H. doi:10.1063/1.102337.
  18. Kim JB; Kwon DR; Chakrabarti K; Lee Chongmu; Oh KY; Lee JH (2002). "Improvement in Al2O3 dielectric behavior by using ozone as an oxidant for the atomic layer deposition technique". J. Appl. Phys. 92 (11): 6739–42. Bibcode:2002JAP....92.6739K. doi:10.1063/1.1515951.
  19. Kim, Jaebum; Chakrabarti, Kuntal; Lee, Jinho; Oh, Ki-Young; Lee, Chongmu (2003). "Effects of ozone as an oxygen source on the properties of the Al2O3 thin films prepared by atomic layer deposition". Mater Chem Phys. 78 (3): 733–38. doi:10.1016/S0254-0584(02)00375-9.
  20. "GE Innovation Timeline 1957–1970". Archived from the original on 16 February 2009. Retrieved 2009-01-12.

25.Davis, K., 2010, Material Review: Alumina (Al2O3), School of Doctoral Studies European Union Journal, Vol.1:109-114.

26.https://pubs.usgs.gov/of/2013/1272/pdf/ofr2013-1272.pdf

27.http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/bauxite/

28. https://pubs.usgs.gov/of/2013/1272/pdf/ofr2013-1272.pdf

لینک های خارجی:

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.