جدیدآلومینا (اکسید آلومینیوم)
اکسید آلومینیوم با فرمول شیمیایی Al2O3 یکی از شناخته شده ترین سرامیک های مهندسی است که با توجه به کاربرد یا شکل آن با نام های آلومینا، آلوکساید، آلوندوم یا آلوکسایت نیز شناخته شده است. این اکسید، فراوان ترین نوع اکسید آلومینیوم است که به علت مقاومت خوردگی و اکسید شوندگی بالا محبوبیت بسیاری پیدا کرده است. به همین منظور قصد داریم در این مقاله کمی بیشتر با این ماده مهندسی آشنا شویم.
دسته بندی اکسیدهای آلومینیوم
نمودار زیر دسته بندی خوبی برای نمایش اکسیدهای آلومینیوم ارائه می دهد:
آلومینای کلسینه (Calcined Alumina)
آلومینای کلسینه زمانی تشکیل می‌شود که هیدروکسید آلومینیوم در دمای بالاتر از ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داده شود. از جمله کاربردهای آلومینای کلسینه شده می‌توان به صنعت دیرگداز و محصولات سرامیکی اشاره نمود. ناخالصی اصلی موجود در این نوع آلومینا، اکسید سدیم است.
آلومینای فعال (Reactive Alumina)
آلومینای راکتیو یا فعال معمولا به آلومینایی گفته می شود که خلوص نسبتا بالا و اندازه کریستالی کوچکی داشته باشد. این اکسید آلومینیوم باید بتواند بدنه ای را تشکیل بدهد که دانسیته‌ی پس از پخت آن بالا و در دمای پخت نسبتا پایین (حدود ۱۵۵۰-۱۶۵۰ درجه سانتیگراد) داشته باشد.
در این آلومینا به دلیل دمای پایین کلسیناسیون درصد فازهای غیر α زیاد است. به خاطر بالا بودن فعالیت شیمیایی فازهای غیر α در آلومینا، این نوع آلومینا دارای فعالیت شیمیایی بالایی است و بنابراین برای ساخت کاتالیزورها و پایه کاتالیزور مناسب است.
برای تولید آلومینای راکتیو، آلومینای کلسینه شده را خرد کرده و سپس آسیاب می کنند تا این ماده تشکیل شود. گرچه در تولید این نوع آلومینا باید همواره در نظر داشت که درصد اسید سدیم آن تا حد امکان کم شود و کمتر مورد استفاده قرار گیرد.
از این نوع آلومینا در مواقعی استفاده می شود که نیاز به تولید بدنه هایی با استحکام بالا، مقاوم به سایش، مقاوم به دمای بالا و مقاوم به حملات شیمیایی باشد. در واقع زمانی که هدف تولید بدنه ای با رفتار مکانیکی مطلوب در دمای بالا باشد، از این نوع اکسید آلومینیوم استفاده می شود.
آلومینای تبولار (Tabular Alumina)
با تبلور مجدد کوراندوم (اکسید آلومینیوم بلوری) ماده جدیدی به اسم آلومینای تبولار تولید می شود. مورفولوژی این ماده به صورت کریستال‌های بزرگ، پهن و ورقه‌ای شکل از کوراندوم است.
نحوه تولید این نوع آلومینا به این صورت است پس از رسوب دادن آلومینای کلسینه شده، ماده به دست آمده تحت فرایند اکستروژن قرار گرفته و در ادامه پرس می شود. با حرارت دادن ماده به دست آمده در یک کوره با دمای زیر نقطه‌ی ذوب (۱۸۵۰-۱۷۰۰ درجه سانتیگراد) این نوع آلومینا تولید می شود.
آلومینای تبولار در کاربردهایی مانند بستر کاتالیزوری استفاده می شود. به علت خاصیت زینتر شدن این مواد، تخلخل آن ها پایین است. مهم ترین ویژگی این ماده پایداری شیمیایی خوب و دیرگدازی بالا است؛ در نتیجه برای استفاده در صنعت دیرگداز می تواند گزینه مطلوبی به حساب آید. در واقع مهم ترین کاربرد این نوع آلومینا در ساخت دیرگدازهای ریختنی و شکل‌دار است.
از دیگر دلایل به کارگیری این ماده در بدنه، افزایش استحکام بدنه است. لازم به ذکر است که در ساخت کامپوزیت های آلومینا-کربن از این نوع آلومینا استفاده می گردد زیرا آلومینای تبولار دارای پراکندگی ذرات وسیعی است. این نوع کامپوزیت‌ها در ساخت دریچه‌های کشویی تخلیه‌ی تاندیش به کار می‌روند.
آلومینای ذوبی (Fused Alumina)
آلومینای ذوبی (fused) در تولید ساینده ها و دیرگدازها مورد استفاده قرار می گیرد. زیرا این ماده دارای چگالی بالا، تخلخل پایین، نفوذپذیری پایین و دیرگدازی بالاست. برای تولید آلومینای ذوبی از کوره قوس الکتریکی استفاده می شود.
آلومینای متخلخل (Porous Alumina)
این نوع آلومینا دارای دانسیته‌ی پایین و تخلخل بالا از نوع تخلخل های بسته است. به علت خاصیت سبکی و عایق بودن، از این نوع اکسید آلومینیوم در ساخت بدنه های عایق مانند جر‌‌م‌های ریختنی عایق استفاده می شود. این نوع آلومینا به‌وسیله‌ی دمش هوا به داخل کوره قوس الکتریکی تولید می‌شود.
خواص اکسید آلومینیوم
اکسید آلومینیوم خواص منحصر به فردی دارد که باعث گسترش استفاده از آن به ویژه در تولید دیرگدازها و کامپوزیت ها شده است. در جدول زیر می توانید برخی از خواص فیزیکی و مکانیکی این اکسید را مشاهده کنید:
| خواص/درصد خلوص | saphire | ۹۹% (تبلور مجدد) | ۹۹/۹% | ۹۷/۵% |
| چگالی(g.cm−۳) | ۳/۹۸۵ | ۳/۹ | ۳/۹ | ۳/۷۸ |
| استحکام فشاری(MPa) | ۲۱۰۰ | ۲۲۰۰-۲۶۰۰ | ۲۲۰۰-۲۶۰۰ | ۱۷۵۰-۲۵۰۰ |
| مدول گسیختگی(MPa) | ۲۶۰ | – | – | – |
| سختی ویکرز(kgf.mm−۲) | ۲۵۰۰-۳۰۰۰ | ۱۵۰۰-۱۶۵۰ | ۱۵۰۰-۱۶۵۰ | ۱۵۰۰-۱۶۰۰ |
مقاومت خوردگی، مقاومت شیمیایی، سختی، استحکام فشاری، رسانایی گرمایی، مقاومت در برابر شوک حرارتی، دیرگدازی ، مقاومت دی الکتریک و مقاومت الکتریکی بالا همگی مواردی هستند که باعث گسترش کاربردهای این ماده سرامیکی شده اند. در زیر به تعدادی از مهم ترین کاربردهای آلومینا اشاره می کنیم.
کاربردهای اکسید آلومینیوم
برش و سایش
اکسید آلومینیوم به دلیل ضد سایش بودن و سختی بالا به عنوان ساینده برای تولید گلوله های آسیا، سمباده ها، ابزارهای برشی و سیم های هدایت کننده در حدیده ها استفاده می شود. این اکسید به دلیل مقاومت حرارتی بالا گزینه مناسبی برای تیغه های فلزی محسوب می شود که در سرعت های کاری بالا دفرمه می شوند.
تولید پوشش
از آلومینا می توان استفاده از اکسید آلومینیوم در صنعت سرامیک بسیار وسیع است؛ به عنوان مثال برای ساخت لعاب ها (به خصوص به شکل هیدراته) و پوشش‌های سازگار جهت جلوگیری از چسبیدن بدنه های سرامیکی از این اکسید استفاده می‌شود.
قطعات دیرگداز
اکسید آلومینیوم به دلیل داشتن نقطه ذوب بالا، عایق بودن و مقاومت شیمیایی خوب گزینه خوبی برای ساخت بلوک و لوله های نسوز، غلاف ترموکوپل و بوته ذوب است. به علت پایداری حرارتی و شیمیایی خوب نسوزهای آلومینایی می توان آن ها را در هر دو محیط قلیایی و اسیدی به کار برد. به عنوان مثال نسوزهای زاک که شامل ۵۰ درصد اکسید آلومینیوم ، ۴۰ درصد زیرکونیا و ۱۰ درصد سیلیس است، جهت وان های ذوب شیشه استفاده می شود.
مواد مغناطیسی
آلومینا یک ماده دیامغناطیس یا غیرمغناطیسی است و در برابر جرقه عایق است. این سرامیک می تواند تخلیه الکتریکی حدود چند صد هزار ولتی را برای چندین ساعت تحمل نماید و از طرفی به علت استحکام پیچشی خوب می تواند به عنوان پایه شمع اتومبیل، پرسلان ها و مقره های الکتریکی استفاده شود.
قطعات دی الکتریک
آلومینا به دلیل مقاومت دی الکتریک تقریبا بالا و تلفات دی الکتریک پایین در کاربردهای الکترونیکی به عنوان پایه مدارها مورد استفاده قرار می گیرد. این پایه ها باید از ویژگی هایی مثل هدایت حرارتی بالا و ثابت دی الکتریک بالا برخوردار باشند.
ایمپلنت های پزشکی
در کاربردهای فیزیولوژی درون بدن، زیست سازگاری اهمیت زیادی دارد. کوچکترین واکنش بیومواد استفاده شده با الکترولیت های بدن می تواند باعث مشکلاتی مثل سمیت، لختگی خون و یا حتی مرگ شود. همچنین قطعه مورد استفاده باید مقاومت در برابر سایش، خوردگی و استحکام مناسبی در بدن داشته باشد. با توجه به این موضوع، آلومینا یکی از مواد مورد استفاده در ساخت کامپوزیت های سرامیکی برای استفاده در بدن است.
جهت ساخت قطعات بیوسرامیکی از مخلوط پودر آلومینا با یک ماده افزودنی چون متیل سلولز استفاده می کنند. سپس این مخلوط را از لوله های باریک کاربید تنگستن عبور می دهند تا فرم مورد نظر را به خود بگیرد. متیل سلولز جهت افزایش شکل پذیری و پلاستیسیته آلومینا به کار می رود.
کاربرد در صنعت نساجی
آلومینا و اکسید تیتانیم به جهت مقاومت به سایش خوب و داشتن سطحی صیقلی و ضد اصطکاک به عنوان هدایت کننده الیاف نساجی و تغییر جهت آن ها در صنعت نساجی مورد استفاده قرار می گیرد.
مراجع
کلانتر، مهدی ، (۱۳۸۷)، سازه‌های سرامیکی دما بالا ، انتشارات دانشگاه یزد
https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_oxide
دیدگاه کاربران