اكتشاف علم أكسيد الألومنيوم - موردك المفضل

مقدمة

نعتقد أن أكسيد الألومنيوم اكتسب شعبية واسعة في صناعة السيراميك المتقدمة، وهو معروف على نطاق واسع بصلابته الاستثنائية ومقاومته للتآكل، مما يجعله غالبًا بديلًا أرخص من الماس الصناعي. أليس هذا مثيرًا للاهتمام؟

تقدم مقالة اليوم تحليلاً كاملاً لأكسيد الألومنيوم، والصفات التي تجعله متميزًا وتطبيقاته العديدة.

خصائص أكسيد الألومنيوم

أكسيد الألومنيوم مركب بلوري عديم الرائحة، يتكون من اتحاد كيميائي للألومنيوم والأكسجين. وهو مركب صلب أبيض اللون، صيغته الكيميائية Al2O3، ويُعرف عادةً بالألومينا أو الكوراندوم أو الألوكسيد. يوجد غالبًا على شكل مسحوق، وفي صورة طبيعية أخرى، أكسيد الألومنيوم الثلاثي (Al2O3). له استخدامات متعددة في الصناعات التحويلية والتجارية والكيميائية، نظرًا لخصائصه المتميزة.

يُعرف أكسيد الألومنيوم بخصائصه الممتازة في الكشط وصلابته الاستثنائية، ولا يتفوق عليه في الجودة سوى كربيد السيليكون والماس. في الواقع، حدّد مقياس موس لصلابة الفولاذ صلابة أكسيد الألومنيوم عند 9 درجات. وبفضل وجود بلورات أكسيد الألومنيوم، يُعدّ مادةً مناسبةً جدًا لإنتاج معادن ألومنيوم عالية القوة، وأكسيد. المواد الخزفية، والمواد الكاشطة القوية، مثل ورق الصنفرة، وحتى كبديل للأحجار الكريمة الثمينة مثل الياقوت والزفير وما إلى ذلك. هذه الصلابة تجعلها مفيدة أيضًا في عمليات الصقل الخشنة.

أكسيد الألومنيوم مادة أمفوتيرية في الغالب، وله درجة انصهار عالية تبلغ 2072 درجة مئوية، مما يجعله مادة مقاومة للحرارة. درجة غليانه 2977 درجة مئوية، وكثافته 3.99 غ/سم³. وهو غير قابل للذوبان في أي مذيب، بما في ذلك الماء، وله معامل انكسار وموصلية حرارية عالية تبلغ حوالي 30 واط/م²-1 كلفن-1. كما أن حساسيته المغناطيسية تبلغ -37.0×10−6 سم³/مول.

يتميز أكسيد الألومنيوم ببنية ثلاثية ثماني السطوح ووزن جزيئي قدره 101.960 غم/مول-1. ويمكن استخدام الأشكال الطبيعية من أكسيد الألومنيوم (Al2O3)، مثل الكوراندوم والبوكسيت، في مجموعة واسعة من شركات الهندسة كمواد ماصة أو حتى عوامل تجفيف.

على الرغم من صلابة أكسيد الألومنيوم واسمه المعدني، إلا أنه يُعدّ مادة سيراميكية إلى حد كبير، مما يجعله مفيدًا في صناعة السيراميك المتقدمة. ويرجع ذلك إلى أن هذا المركب البلوري الصلب، الذي يُشكَّل بمساعدة الأكسجين، معروف بمقاومته العالية للتآكل أو الصدأ. والأهم من ذلك، أنه يُنتج طبقة رقيقة ملتصقة بإحكام، مما يجعله غير قابل للذوبان في أي مذيب يُوضع فيه.

استخدامات أكسيد الألومنيوم (Al2O3)

إن استخدامات أكسيد الألومنيوم عديدة جداً، وكما ذكرنا سابقاً، بعض منها:

• يستخدم كمحفز في التفاعلات الكيميائية

• يتم استخدامه لإزالة تيارات الغاز من الماء أثناء تنقية الماء.

• يتم استخدامه في إنتاج الزجاج.

• يتم استخدامه كمادة كاشطة ممتازة في ورق الصنفرة.

• تستخدم مصابيح بخار الصوديوم مادة الألومينا.

• تستخدم ركائز الدوائر المتكاملة أكسيد الألومنيوم في شكل عازل كهربائي.

• يتم استخدامه كأحد المكونات في تصنيع منتجات التجميل مثل واقيات الشمس وطلاء الأظافر وأحمر الشفاه وما إلى ذلك.

• يتم استخدامه لطلاء أدوات المطبخ بسبب مقاومته للخدش والتآكل.

إنتاج أكسيد الألومنيوم

الألومنيوم، المكون الرئيسي له، موجود بكثرة في التربة، وخاصة التربة الحمراء، كونها ثاني أكثر التربة كثافة على وجه الأرض. معدن وفيرمن الأمثلة الجيدة على هذا الشكل من اللاتريت المستخدم في إنتاج أكسيد الألومنيوم هو البوكسيت، والذي يتكون من شوائب أكسيد الحديد والكوارتز والسيليكات وألومينا 55% والبوهيميت (γ−AlO(OH) والديسبور (α−AlO(OH) والجيبسيت (Al(OH)3).

يُنتَج أساسًا من خلال عملية كيميائية بسيطة تُعرف باسم عملية باير. تُتوَّج هذه العملية بالتكليس لإنتاج مسحوق أكسيد الألومنيوم. والآن، لنشرح كيف تتم عملية باير هذه.

أولاً، يُحَلَّل الخام المحتوي على البوكسيت، تحت درجات حرارة تصل إلى 175 درجة مئوية، إلى محلول ساخن من هيدروكسيد الصوديوم. يؤدي هذا إلى تكوين ألومينات الصوديوم. ثم تبدأ مرحلة ترشيح الألومينا. عادةً ما تكون الألومينا المُرَشَّحة عالية الجودة.

يُستخدم خزان ترسيب لتبريد هذا المحلول الساخن. تتشكل بلورات هيدروكسيد الألومنيوم تدريجيًا مع تبريد المحلول. بعد ذلك، تُؤخذ البلورات المتكونة حديثًا إلى فرن لتكليسها تحت درجات حرارة عالية تبلغ حوالي 1260 درجة مئوية. المنتج النهائي هنا هو مسحوق أكسيد الألومنيوم.

خصائص أكسيد الألومنيوم

هناك العديد من الصفات التي تجعل أكسيد الألومنيوم مادة أساسية للغاية للعديد من قطاعات الاقتصاد العالمي اليوم، بما في ذلك:

• تتمتع بدرجة انصهار عالية تصل إلى 2072 درجة مئوية.

• يتميز بموصلية حرارية عالية تبلغ 30 Wm−1K−1.

• ويبلغ وزنه الجزيئي 101.960 جم مول-1.

• ويخضع لتفاعل تحييد قوي مع حمض الكبريتيك - بسبب طبيعته الأمفوتيرية كأكسيد معدني، فإنه يعمل بشكل فعال كقاعدة وحمض.

• التفاعل مع حمض الهيدروكلوريك - يتفاعل Al2O3 مع الأحماض مثل حمض الهيدروكلوريك المخفف بنفس الطريقة أكسيد الصوديوم والمغنيسيوم يعود ذلك إلى أيونات الأكسيد الموجودة فيها. على سبيل المثال، في حالة حمض الهيدروكلوريك المخفف (6HCl)، يتفاعل أكسيد الألومنيوم (Al2O3) مع ستة مولات من هذا المركب لإنتاج محلول كلوريد الألومنيوم (2AlCl3).

• تبلغ كثافتها 3.99 جرام/سم³.

• تتمتع بدرجة غليان عالية تصل إلى 2977 درجة مئوية.

مقياس موس للصلادة

مقياس صلابة موس هو مقياس غير خطي عشوائي يمكنك استخدامه لقياس المعادن العشرة المتوفرة بسهولة مثل الألومينا والماس وكربيد السيليكون وما إلى ذلك، بناءً على صلابتها ومقاومتها للخدش من المواد الأكثر صلابة وقابليتها للتآكل في مقياس يتراوح من 1 إلى 10. ويقال إنه مقياس غير خطي لأنه لا يوجد مساواة بين قيم الصلابة النسبية.

يمكن تحديد صلابة الألومينا على مقياس موس من خلال ملاحظة تعرضها للخدش بواسطة معدن آخر ذي صلابة معروفة. صلابة أكسيد الألومنيوم تجعله يحصل على تصنيف 9 على مقياس موس لصلابة المعادن. فقط الأحجار الكريمة مثل الماس، والمواد الخزفية المتطورة مثل كربيد السيليكون وكربيد البورون، هي التي تتفوق على أكسيد الألومنيوم.

يتصدر الماس قائمة المعادن بتقييم ١٠، نظرًا لقدرته على تحمل الخدش بسهولة من المعادن الأخرى. يتراوح مقياس موس للفولاذ بين ٧.٥ و٨، مما يعني أنه قادر على خدش المعادن اللينة مثل التوباز وخبث النحاس. هذا يعني أيضًا أنه قابل للخدش من معادن أكثر صلابة مثل الألومينا والماس.

معامل مرونة الألومينا

هذا هو قياس مرونة الألومينا، وهو نسبة مرونتها بكميات ودرجات مختلفة. يُقدم هذا القياس تفاصيل أكثر حول القوة الميكانيكية ومقاومة أكسيد الألومنيوم للتشوه. عادةً ما تُعدّ طريقة التكوير وطريقة الصب الشريطي أكثر الطرق شيوعًا لتحديد معامل مرونة الألومينا. يكمن الفرق الرئيسي بين الطريقتين في تجانس سمك الرقاقات المستخدمة. تتضمن الطريقتان استخدام ضغط المسحوق، والتكليس، والتلبيد، وصنع الكريات، وتقطيعها إلى رقائق. حاليًا، يبلغ متوسط قيمة معامل مرونة أكسيد الألومنيوم 249 جيجا باسكال، بالنسبة لكثافته البالغة 3.99 غ/سم³.

صلابة سيراميك الألومينا

تستفيد المواد الخزفية الحديثة بشكل كبير من صلابة موس الألومنيوم، إذ تتميز بأسطح صلبة ومقاومة للخدش. تتميز سيراميكات الألومينا هذه ببنية شبكية بلورية متينة ومنظمة جيدًا ومُحكمة التركيب.

تتميز سيراميك الألومينا بخصائص ميكانيكية ممتازة، مثل قوة الضغط العالية، ومقاومة التآكل، والتآكل والتلف. هذا يعني أن هذه السيراميكات المتطورة قادرة على تحمل الأحمال الثقيلة دون تغيير بنيتها الأصلية. ويمكن استخدامها صناعيًا تحت درجات حرارة عالية لصنع أنظمة النقل والأنابيب التي تتطلب احتكاكًا عاليًا. كما أنها تتميز بتركيبة خاملة كيميائيًا، مما يجعلها مادة مثالية لإنتاج معدات المختبرات.

يُعد اختبارا صلابة روكويل للألمنيوم وصلادة فيكرز من أكثر الطرق شيوعًا لقياس صلابة سيراميك الألومينا. يُمكن إجراء هذا الاختبار باستخدام مِسنن على سطح المادة، ثم قياس التشوه المُلاحظ. كما يُمكنك استنتاج الخصائص الميكانيكية لسيراميك الألومينا من نتائج هذه الاختبارات.

ومع ذلك، ونظراً للطبيعة الهشة لسيراميك الألومينا، وخاصة عند وضعه تحت قوى الانحناء أو التوتر، يمكن تعزيز متانته وصلابته باستخدام بعض البوليمرات والمعادن في عملية كهروكيميائية تُعرف باسم الأكسدة الأنودية؛ وبالتالي زيادة كفاءتها.

درجات الألومينا

يتوفر أكسيد الألومنيوم بأشكال ودرجات متنوعة نتيجةً لتنوع العمليات الصناعية المتاحة. من هذه الدرجات:

• أكسيد الألومنيوم الأبيض المنصهر

• أكسيد الألومنيوم البني المنصهر

• الألومينا المكلسة

• أكسيد الألومنيوم التفاعلي

• فقاعات الألومينا

• الألومينا المنشطة

• أكسيد الألومنيوم دون الميكرون.

ترتبط هذه الدرجات المختلفة من الألومينا بخصائص وتطبيقات محددة.

تطبيقات أكسيد الألومنيوم

يُمكن استخدام أكسيد الألومنيوم في مختلف القطاعات عالميًا. سنتناول بالتفصيل تطبيقاته الرئيسية، والتي تشمل:

صناعة السيراميك المتقدمة

صلابة ومتانة أكسيد الألومنيوم مفيدة جدًا في صناعة السيراميك المتقدمة. يُستخدم في صناعة عوازل الأفران وبطاناتها. بالإضافة إلى استخدامه كبديل رخيص للماس الصناعي، يُستخدم على نطاق واسع كمادة كاشطة جيدة. تُشكل بلورات أكسيد الألومنيوم الجزء الأكبر من العديد من أنواع ورق الصنفرة. كما تستفيد عمليات الطحن بشكل كبير من أكسيد الألومنيوم (Al2O3) نظرًا لانخفاض احتباسه الحراري وحرارته النوعية.

علم المعادن

يكتسب معدن الألومنيوم خواصه الكاشطة وصلابته من أكسيد الألومنيوم. تجعله درجة انصهاره العالية ومعامل انكساره مادةً مقاومةً للحرارة جيدةً لإنتاج معدن الألومنيوم. أشارت دراسات حديثة إلى أنه في عام ٢٠١٥، استُخدم ما بين ٨٠ و٩٠١ طنًا من أكسيد الألومنيوم المنتج عالميًا في إنتاج معادن الألومنيوم سنويًا.

البلاستيك ومستحضرات التجميل

صناعة البلاستيك ومستحضرات التجميل ليست بمنأى عن هذا، إذ تميل إلى استخدام أكسيد الألومنيوم بفعالية كمواد مالئة. ويعود ذلك إلى طبيعة المركب الخاملة وبياضه.

زجاج

أكاسيد الألومنيوم مُكوّن رئيسي للزجاج. وتضمن مقاومتها للخدش حمايةً ممتازةً للطلاءات المعدنية والزجاج والمعدات البصرية.

طلاء

تستخدم الصناعات التي تتعامل في تصنيع الطلاء رقائق أكسيد الألومنيوم لتحقيق تأثيرات زخرفية عاكسة.

الألياف المركبة

تتميز مواد الألياف التجارية بأدائها العالي بفضل صلابة أكسيد الألومنيوم. وقد ساهم أكسيد الألومنيوم (Al2O3) في تزايد إنتاج ألياف الألومينا النانوية مؤخرًا.

جيش

ألواح سيراميك الألومينا هي مكونات تُمكّن الدروع العسكرية من مقاومة الرصاص والصوت. تُستخدم ألواح سيراميك الألومينا، وهي منتج ذو صلابة أكسيد الألومنيوم، بشكل رئيسي في الجيش، وقد ساهم مع مرور الوقت في تطوير جودة وكفاءة الدروع العسكرية بشكل كبير.

أشباه الموصلات والإلكترونيات

تُستخدم عادةً خصائص أكسيد الألومنيوم العازلة في لوحات الدوائر الإلكترونية، وأشباه الموصلات، وعوازل السعة، وإلكترونيات الطاقة. وتجعله خصائصه العازلة الكهربائية أساسيًا في هذه اللوحات، وأشباه الموصلات، وعوازل المكثفات.

الدواء

يعود الفضل في بعض تطورات الطب الحديث إلى أكسيد الألومنيوم. فقد وُجد أن صلابة أكسيد الألومنيوم متوافقة حيويًا مع الأجهزة الطبية، والمفاصل والعظام الاصطناعية، بالإضافة إلى زراعة الأسنان.

حجم السوق العالمية لأكسيد الألومنيوم

يشهد سوق أكسيد الألومنيوم نموًا هائلاً. في عام ٢٠٢٢، قُدِّر حجم السوق بـ ٢٠ مليار دولار أمريكي (١٫٤ مليار طن). ويبلغ معدل نموه السنوي المركب حاليًا ٧١٫٣ مليار طن، ومن المتوقع أن يصل إلى ٧٠ مليار دولار أمريكي (١٫٤ مليار طن) بحلول عام ٢٠٣٠. في GGSCeramics، نوفر لكم منتجات أكسيد الألومنيوم عالية الأداء بنقاء عالٍ وكثافة عالية تناسب جميع تطبيقاتكم.

الأسئلة الشائعة

هل أكسيد الألومنيوم قاعدي أم حمضي؟

أكسيد الألومنيوم أكسيد معدني أمفوتيري. هذا يعني أنه يمكن أن يعمل كقاعدة وحمضًا. طبيعة المادة التي يتفاعل معها تُحدد ما إذا كان سيعمل كقاعدة أم حمضًا.

ما هي الطرق المستخدمة لتحديد معامل مرونة الألومينا؟

هناك طريقتان مستخدمتان، وهما طريقة التكوير وطريقة الصب الشريطي.

ما هي السوائل التي تتفاعل عادة مع الألومنيوم؟

السوائل مثل أحماض الهيدروكلوريك المخففة والبروم السائل وكلوريد الألومنيوم هي بعض السوائل التي يمكن أن تتفاعل مع أكسيد الألومنيوم في درجة حرارة الغرفة.

خاتمة

مع التقدم السريع في التكنولوجيا الحديثة والتصنيع، أصبح أكسيد الألومنيوم عاملاً مؤثراً ولاعباً رئيسياً في مختلف قطاعات المواد. فائدته في العديد من الصناعات، بدءاً من إنتاج مجموعة واسعة من مواد السيراميك المتقدمة، واستخداماته في إلكترونيات الطاقة، والطب، وغيرها، تجعله قطاعاً آمناً ومثيراً للاستثمار.