Einführung
Wir glauben, dass es kein Geheimnis mehr ist, dass Aluminiumoxid in der Hochleistungskeramikindustrie so beliebt geworden ist. Es ist bekannt für seine außergewöhnliche Härte und Abrasivität, was es oft zu einer günstigeren Alternative zu Industriediamanten macht. Interessant, oder?
Der heutige Artikel bietet eine vollständige Analyse von Aluminiumoxid, den Eigenschaften, die es so herausragend machen, und seinen zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten.
Eigenschaften von Aluminiumoxid
Aluminiumoxid ist eine geruchlose kristalline Verbindung, die aus der chemischen Kombination von Aluminium und Sauerstoff entsteht. Es handelt sich um einen weißen Feststoff mit der chemischen Formel Al2O3, der allgemein als Aluminiumoxid, Korund oder Aloxid bezeichnet wird. Es kommt hauptsächlich in Pulverform und in einer natürlichen Form vor: Aluminium(III)-oxid (Al2O3). Aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften findet es vielfältige Anwendung in der Fertigungs-, Handels- und Chemieindustrie.
Aluminiumoxid ist bekannt für seine hervorragende Abrasivität und außergewöhnliche Härte. Nur Siliziumkarbid und Diamant sind qualitativ besser. Tatsächlich liegt die Härte von Aluminiumoxid auf der Mohs-Skala für Stahl bei beeindruckenden 9. Aufgrund der enthaltenen Aluminiumoxidkristalle eignet es sich hervorragend zur Herstellung hochfester Aluminiummetalle, Oxide keramische Materialien, starke Schleifmittel wie Sandpapier und sogar als Ersatz für wertvolle Edelsteine wie Rubine, Saphire usw. Diese Härte macht sie auch für grobe Läppvorgänge nützlich.
Aluminiumoxid ist überwiegend amphoter und besitzt einen hohen Schmelzpunkt von 2.072 °C, was es zu einem guten feuerfesten Material macht. Es hat einen Siedepunkt von 2.977 °C und eine Dichte von 3,99 g/cm³. Es ist in allen Lösungsmitteln, einschließlich Wasser, unlöslich, besitzt einen hohen Brechungsindex und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 30 Wm−1K−1. Es hat außerdem eine magnetische Suszeptibilität von −37,0 × 10−6 cm³/mol.
Aluminiumoxid hat eine oktaedrische trigonale Struktur und ein Molekulargewicht von 101,960 g·mol−1. Natürlich vorkommende Formen von Al2O3, wie Korund und Bauxit, können in einer Vielzahl von Ingenieurbüros als Adsorptionsmaterialien oder sogar Trocknungsmittel verwendet werden.
Trotz seiner Härte und der Bezeichnung „Metalloxid“ ist Aluminiumoxid ein keramisches Material und daher in der Hochleistungskeramikindustrie sehr gefragt. Denn diese feste, kristalline Verbindung, die mit Hilfe von Sauerstoff gebildet wird, ist bekanntermaßen sehr korrosions- und rostbeständig. Vor allem bildet es eine dünne, fest haftende Schicht, die es in jedem Lösungsmittel unlöslich macht.
Verwendung von Aluminiumoxid (Al2O3)
Die Verwendungsmöglichkeiten von Aluminiumoxid sind sehr zahlreich, wie wir bereits erwähnt haben. Einige davon sind:
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Es wird als Katalysator in chemischen Reaktionen verwendet
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Es wird verwendet, um Gasströme aus dem Wasser zu entfernen und es gleichzeitig zu reinigen.
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Es wird bei der Glasherstellung verwendet.
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Es wird als hervorragendes Schleifmittel in Schleifpapier verwendet.
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Natriumdampflampen verwenden Aluminiumoxid.
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Substrate für integrierte Schaltkreise verwenden Aluminiumoxid in Form eines elektrischen Isolators.
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Es wird als einer der Inhaltsstoffe bei der Herstellung von Kosmetikprodukten wie Sonnenschutzmitteln, Nagellack, Lippenstift usw. verwendet.
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Aufgrund seiner Kratzfestigkeit und Abriebfestigkeit wird es zum Beschichten von Küchenutensilien verwendet.
Herstellung von Aluminiumoxid
Aluminium, sein Hauptbestandteil, kommt in Form von Lateriten in großen Mengen im Boden vor, insbesondere in rotem Boden, da dieser der zweithäufigste reichlich Metall. Ein gutes Beispiel für diese Lateritform, die bei der Aluminiumoxidproduktion verwendet wird, ist Bauxit, das aus Eisenoxidverunreinigungen, Quarz, Silikaten, 55%-Aluminiumoxid, Böhmit (γ−AlO(OH), Diaspor (α−AlO(OH)) und Gibbsit (Al(OH)3) besteht.
Die Herstellung erfolgt durch ein einfaches chemisches Verfahren, das sogenannte Bayer-Verfahren. Dieses Verfahren endet mit der Kalzinierung, aus der schließlich Aluminiumoxidpulver entsteht. Lassen Sie uns nun erklären, wie dieses Bayer-Verfahren abläuft.
Zunächst wird das bauxithaltige Erz bei Temperaturen von bis zu 175 °C in einer heißen Natriumhydroxidlösung zerkleinert. Dabei entsteht Natriumaluminat. Anschließend erfolgt eine Aluminiumoxidfiltration. Das herausgefilterte Aluminiumoxid ist in der Regel von hoher Qualität.
Ein Niederschlagsbehälter wird dann zum Abkühlen dieser heißen Lösung eingesetzt. Beim Abkühlen der Lösung bilden sich allmählich Aluminiumhydroxidkristalle. Anschließend werden die bei hohen Temperaturen von etwa 1.260 °C neu gebildeten Kristalle zur Kalzinierung in einen Ofen gebracht. Das Endprodukt ist hier das Aluminiumoxidpulver.
Eigenschaften von Aluminiumoxid
Es gibt mehrere Eigenschaften, die Aluminiumoxid zu einem sehr wichtigen Material für viele Bereiche der heutigen Weltwirtschaft machen, darunter:
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Es hat einen hohen Schmelzpunkt von 2.072 °C.
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Es hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 30 Wm−1K−1.
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Es hat ein Molekulargewicht von 101,960 g·mol−1.
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Es unterliegt einer starken Neutralisationsreaktion mit Schwefelsäure. Aufgrund seiner amphoteren Natur als Metalloxid wirkt es effektiv als Base und Säure.
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Reaktion mit Salzsäure - Al2O3 reagiert mit Säuren wie verdünnter Salzsäure auf die gleiche Weise wie Natriummagnesiumoxid Dies liegt an den darin enthaltenen Oxidionen. Beispielsweise würde im Fall der verdünnten Salzsäure (6HCl) Aluminiumoxid (Al2O3) mit sechs Mol dieser Verbindung reagieren und eine Aluminiumchloridlösung (2AlCl3) ergeben.
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Es hat eine Dichte von 3,99 g/cm³.
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Es hat einen hohen Siedepunkt von 2.977 °C.
Mohs-Härteskala
Die Mohs-Härteskala ist eine willkürliche, nichtlineare Skala, mit der Sie die zehn leicht verfügbaren Mineralien wie Aluminiumoxid, Diamant, Siliziumkarbid usw. anhand ihrer jeweiligen Härte, Kratzfestigkeit gegenüber härteren Materialien und ihrer Abrasivität auf einer Skala von 1 bis 10 messen können. Sie wird als nichtlineare Skala bezeichnet, da zwischen den relativen Härtewerten keine Gleichheit besteht.
Die Mohs-Härte von Aluminiumoxid lässt sich durch die Beobachtung von Kratzern durch andere Mineralien mit bekannter Härte bestimmen. Aluminiumoxid erreicht auf der Mohs-Skala eine beeindruckende Härte von 9. Nur Edelsteine wie Diamanten und hochentwickelte Keramikmaterialien wie Siliziumkarbid und Borkarbid erreichen höhere Härtegrade als Aluminiumoxid.
Diamanten liegen mit einer Bewertung von 10 an der Spitze, da sie Kratzern durch andere Mineralien problemlos standhalten. Die Mohs-Skala von Stahl liegt bei etwa 7,5 bis 8, was bedeutet, dass er weichere Mineralien wie Topas und Kupferschlacke zerkratzen kann. Dies bedeutet auch, dass er durch härtere Mineralien wie Aluminiumoxid und Diamanten zerkratzt werden kann.
Elastizitätsmodul von Aluminiumoxid
Dies ist die Messung der Elastizität von Aluminiumoxid. Es ist das Verhältnis seiner Elastizität in verschiedenen Mengen und Graden. Es liefert weitere Informationen über die mechanische Festigkeit und Verformungsbeständigkeit von Al2O3. Das Pelletierverfahren und das Foliengussverfahren sind normalerweise die gängigsten Methoden zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls von Aluminiumoxid. Die beiden Methoden lassen sich hauptsächlich anhand der Gleichmäßigkeit der Dicke der verwendeten Wafer unterscheiden. Die beiden Methoden umfassen Pulverpressen, Kalzinieren, Sintern, Herstellen von Pellets und Schneiden dieser in Wafer. Der derzeit bekannte Durchschnittswert des Elastizitätsmoduls von Al2O3 beträgt 249 GPa, bezogen auf seine Dichte von 3,99 g/cm³.
Härte der Aluminiumoxidkeramik
Moderne Keramikmaterialien profitieren enorm von der Mohs-Härte von Aluminium, da sie beeindruckend harte und kratzfeste Oberflächen besitzen. Diese Aluminiumoxidkeramiken haben eine gut organisierte und starre Kristallgitterstruktur, die eng anliegt.
Hohe Druckfestigkeit, hohe Abrasivität, Korrosions- und Verschleißbeständigkeit sind nur einige der hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Aluminiumoxidkeramik. Diese Hochleistungskeramik hält hohen Belastungen stand, ohne ihre ursprüngliche Struktur zu verändern. Sie kann industriell unter großer Hitze zur Herstellung von Fördersystemen und Rohren eingesetzt werden, die hohe Reibung erfordern. Aufgrund ihrer chemischen Inertheit eignet sie sich hervorragend für die Herstellung von Laborgeräten.
Die Rockwell-Härte von Aluminium und die Vickers-Härteprüfung sind zwei der gängigsten Verfahren zur Messung der Härte von Aluminiumoxidkeramik. Sie können diesen Test durchführen, indem Sie einen Eindringkörper auf die Oberfläche des Materials setzen und anschließend die sichtbare Verformung messen. Aus den Ergebnissen dieser Tests lassen sich auch die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumoxidkeramik ableiten.
Aufgrund der spröden Natur von Aluminiumoxidkeramiken, insbesondere bei Biege- oder Zugkräften, können ihre Zähigkeit und Haltbarkeit jedoch durch bestimmte Polymere und Metalle in einem elektrochemischen Prozess namens Anodisieren erhöht werden. Dadurch wird ihre Effizienz gesteigert.
Aluminiumoxidqualitäten
Aluminiumoxid gibt es aufgrund der verschiedenen industriellen Verfahren in verschiedenen Formen und Qualitäten. Einige dieser Qualitäten sind:
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Geschmolzenes weißes Aluminiumoxid
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Geschmolzenes braunes Aluminiumoxid
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Kalzinierte Tonerde
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Reaktives Aluminiumoxid
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Blasenaluminiumoxid
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Aktiviertes Aluminiumoxid
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Submikron-Aluminiumoxid.
Mit diesen verschiedenen Aluminiumoxidsorten sind spezifische Eigenschaften und Anwendungen verbunden.
Anwendungen von Aluminiumoxid
Aluminiumoxid kann weltweit in verschiedenen Sektoren eingesetzt werden. Wir werden uns die wichtigsten Anwendungen genauer ansehen, darunter:
Hochleistungskeramikindustrie
Die Härte und Festigkeit von Aluminiumoxid ist in der Hochleistungskeramikindustrie sehr nützlich. Es wird zur Herstellung von Ofenisolierungen und Ofenauskleidungen verwendet. Es ist nicht nur eine günstige Alternative zu Industriediamanten, sondern wird auch häufig als gutes Schleifmittel eingesetzt. Aluminiumoxidkristalle machen den Großteil vieler Schleifpapiere aus. Auch Schleifvorgänge profitieren stark von Al2O3 aufgrund seiner geringen Wärmespeicherung und der geringen spezifischen Wärmekapazität.
Metallurgie
Aluminiummetall erhält seine Abrasivität und Härte durch Aluminiumoxid. Der hohe Schmelzpunkt und Brechungsindex machen es zu einem guten feuerfesten Material für die Herstellung von Aluminiummetall. Jüngste Studien belegen, dass im Jahr 2015 jährlich 80–90 Tonnen Aluminiumoxid weltweit für die Herstellung von Aluminiummetallen verwendet wurden.
Kunststoffe und Kosmetik
Auch die Kunststoff- und Kosmetikindustrie ist davon nicht ausgenommen, da sie Aluminiumoxid häufig als Füllstoff einsetzt. Dies ist aufgrund der inerten Natur und der weißen Farbe der Verbindung möglich.
Glas
Aluminiumoxide sind ein Hauptbestandteil von Glas. Ihre Kratzfestigkeit gewährleistet, dass Metallbeschichtungen, Glas und optische Geräte gut geschützt sind.
Malen
In der Farbherstellungsindustrie werden Aluminiumoxidflocken verwendet, um reflektierende dekorative Effekte zu erzielen.
Verbundfaser
Kommerzielle Fasermaterialien verdanken ihre hohe Leistung der Härte von Aluminiumoxid. Al2O3 hat in letzter Zeit die Produktion von Aluminiumoxid-Nanofasern zu einem wachsenden Trend gemacht.
Militär
Aluminiumoxid-Keramikplatten sind Komponenten, die militärische Körperpanzerung kugelsicher und robust machen. Aluminiumoxid-Keramikpanzerungen, ein Produkt aus Aluminiumoxidhärte, werden hauptsächlich vom Militär verwendet und haben mit der Zeit die Qualität und Effizienz des Militärs erheblich verbessert.
Halbleiter und Elektronik
Leiterplatten, Halbleiter, Kapazitätsdielektrika und Leistungselektronik nutzen im Allgemeinen die isolierenden Eigenschaften von Aluminiumoxid. Seine elektrischen Isoliereigenschaften machen es für diese Leiterplatten, Halbleiter und Kondensatordielektrika unverzichtbar.
Medizin
Die moderne Medizin verdankt einige ihrer technologischen Fortschritte Aluminiumoxid. Die Härte von Aluminiumoxid ist biokompatibel mit medizinischen Geräten, künstlichen Gelenken und Knochen sowie Zahnimplantaten.
Globale Marktgröße von Aluminiumoxid
Der Aluminiumoxidmarkt wächst rasant. Im Jahr 2022 wurde die Marktgröße auf 1,4 Billionen US-Dollar geschätzt. Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) beträgt derzeit 71 Billionen US-Dollar und wird bis 2030 voraussichtlich 1,4 Billionen US-Dollar erreichen. Wir von GGSCeramics bieten Ihnen leistungsstarke Aluminiumoxidprodukte mit sehr hoher Reinheit und beeindruckender Dichte für jede Ihrer Anwendungen.
Häufig gestellte Fragen
Ist Aluminiumoxid basisch oder sauer?
Aluminiumoxid ist ein amphoteres Metalloxid. Das bedeutet, dass es sowohl als Base als auch als Säure wirken kann. Die Art der Substanz, mit der es reagiert, bestimmt, ob es als Base oder Säure wirkt.
Welche Methoden werden zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls von Aluminiumoxid verwendet?
Es werden zwei Methoden verwendet, nämlich die Pelletiermethode und die Bandgießmethode.
Welche Flüssigkeiten reagieren normalerweise auf Aluminium?
Flüssigkeiten wie verdünnte Salzsäure, flüssiges Brom und Aluminiumchlorid sind einige der Flüssigkeiten, die bei Raumtemperatur möglicherweise mit Aluminiumoxid reagieren.
Abschluss
Mit dem rasanten Fortschritt in der modernen Technologie und Industrialisierung entwickelt sich Aluminiumoxid zu einem bahnbrechenden und wichtigen Akteur in verschiedenen Materialsektoren. Seine Nützlichkeit in verschiedenen Branchen, von der Herstellung einer Vielzahl von Hochleistungskeramiken bis hin zur Verwendung in der Leistungselektronik, der Medizin und vielen anderen, macht es zu einem sicheren und interessanten Investitionssektor.