De wetenschap van aluminiumoxide ontrafelen - uw go-to bron

Invoering

Wij geloven dat het geen verborgen feit meer is dat aluminiumoxide zo populair is geworden in de geavanceerde keramische industrie. Het staat bekend om zijn uitzonderlijke hardheid en abrasiviteit, waardoor het vaak een goedkoper alternatief is voor industriële diamant. Interessant, toch?

Het artikel van vandaag biedt een complete analyse van aluminiumoxide, de eigenschappen die het zo bijzonder maken en de vele toepassingen ervan.

Kenmerken van aluminiumoxide

Aluminiumoxide is een geurloze kristallijne verbinding die ontstaat uit de chemische verbinding van aluminium en zuurstof. Het is een witte vaste stof met de chemische formule Al2O3, ook wel bekend als aluminiumoxide, korund of aloxide. Het wordt meestal aangetroffen in poedervorm en een natuurlijk voorkomende vorm: aluminium(III)oxide (Al2O3). Dankzij zijn uitstekende eigenschappen kent het een breed scala aan toepassingen in de maakindustrie, de commerciële sector en de chemische industrie.

Aluminiumoxide staat bekend om zijn uitstekende abrasiviteit en uitzonderlijke hardheid, en alleen siliciumcarbide en diamant hebben een betere kwaliteit. De hardheidsschaal van Mohs voor staal gaf aluminiumoxide zelfs een indrukwekkende 9. Dankzij de aanwezigheid van aluminiumoxidekristallen is het bovendien een zeer geschikt materiaal voor de productie van hoogwaardige aluminiummetalen, oxide. keramische materialen, sterke schuurmiddelen, zoals schuurpapier, en zelfs als vervanging voor waardevolle edelstenen zoals robijn, saffier, enz. Deze hardheid maakt ze ook bruikbaar bij ruwe lepbewerkingen.

Aluminiumoxide is grotendeels amfoteer van aard en heeft een hoog smeltpunt van 2072 °C, waardoor het een goed vuurvast materiaal is. Het heeft een kookpunt van 2977 °C en een dichtheid van 3,99 g/cm³. Het is onoplosbaar in elk oplosmiddel, inclusief water, en heeft een hoge brekingsindex en thermische geleidbaarheid van ongeveer 30 Wm−1K−1. Het heeft ook een magnetische susceptibiliteit van -37,0×10−6 cm³/mol.

Aluminiumoxide heeft een octaëdrische trigonale structuur en een molecuulgewicht van 101,960 g·mol−1. Natuurlijk voorkomende vormen van Al₂O₂, zoals korund en bauxiet, kunnen in een breed scala aan ingenieursbureaus worden gebruikt als adsorberende materialen of zelfs als droogmiddel.

Ondanks de hardheid van aluminiumoxide en de naam metaaloxide die eraan gegeven wordt, is het nog steeds een keramisch materiaal, waardoor het bruikbaar is in de geavanceerde keramische industrie. Dit komt doordat deze vaste kristallijne verbinding, gevormd met behulp van zuurstof, bekend staat om zijn hoge corrosie- en roestbestendigheid. Bovendien vormt het een dunne laag die stevig vastzit, waardoor het onoplosbaar is in elk oplosmiddel waarin het wordt geplaatst.

Toepassingen van aluminiumoxide (Al2O3)

De toepassingen van aluminiumoxide zijn zeer talrijk. Zoals we eerder al vermeldden, zijn enkele daarvan:

• Het wordt gebruikt als katalysator in chemische reacties

• Het wordt gebruikt om gasstromen uit water te verwijderen tijdens het zuiveren van water.

• Het wordt gebruikt bij de productie van glas.

• Het wordt gebruikt als uitstekend schuurmiddel in schuurpapier.

• Natriumdamplampen maken gebruik van aluminiumoxide.

• Substraten voor geïntegreerde schakelingen maken gebruik van aluminiumoxide in de vorm van een elektrische isolator.

• Het wordt gebruikt als één van de ingrediënten bij de productie van cosmetische producten zoals zonnebrandcrème, nagellak, lippenstift, etc.

• Het wordt gebruikt om keukengerei te coaten vanwege de krasbestendigheid en het schurende effect.

Productie van aluminiumoxide

Aluminium, het hoofdbestanddeel, komt in grote hoeveelheden voor in de bodem, met name in rode bodem, aangezien dit het op één na meest voorkomende soort ter wereld is. overvloedig metaalEen goed voorbeeld van deze laterietvorm die wordt gebruikt bij de productie van aluminiumoxide is bauxiet, dat bestaat uit ijzeroxideverontreinigingen, kwarts, silicaten, 55%-alumina, boehmiet (γ−AlO(OH), diaspoor (α−AlO(OH) en gibbsiet (Al(OH)3).

Het wordt voornamelijk geproduceerd via een eenvoudige chemische procedure die bekend staat als het Bayer-proces. Deze procedure eindigt vervolgens in calcinatie, wat uiteindelijk aluminiumoxidepoeder oplevert. Laten we nu uitleggen hoe dit Bayer-proces verloopt.

Eerst wordt het bauxiethoudende erts, bij temperaturen tot 175 °C, afgebroken tot een hete oplossing van natriumhydroxide. Dit leidt tot de vorming van natriumaluminaat. Daarna volgt een fase van aluminiumoxidefiltratie. Het uitgefilterde aluminiumoxide is meestal van hoge kwaliteit.

Een precipitatietank wordt vervolgens gebruikt om deze hete oplossing af te koelen. Naarmate de oplossing afkoelt, vormen zich geleidelijk aluminiumhydroxidekristallen. Vervolgens worden de nieuw gevormde kristallen, bij een hoge temperatuur van ongeveer 1260 °C, in een oven gecalcineerd. Het eindproduct is aluminiumoxidepoeder.

Eigenschappen van aluminiumoxide

Er zijn diverse eigenschappen die aluminiumoxide tot een essentieel materiaal maken voor veel sectoren van de wereldeconomie vandaag de dag, waaronder:

• Het heeft een hoog smeltpunt van 2.072°C.

• Het heeft een hoge thermische geleidbaarheid van 30 Wm−1K−1.

• Het heeft een moleculair gewicht van 101,960 g·mol−1.

• Het ondergaat een sterke neutralisatiereactie met zwavelzuur. Vanwege zijn amfotere aard als metaaloxide, gedraagt het zich effectief als een base en een zuur.

• Reactie met zoutzuur - Al2O3 reageert met zuren zoals verdund zoutzuur op dezelfde manier als natriummagnesiumoxide Dit komt door de oxide-ionen erin. Bijvoorbeeld, in het geval van verdund zoutzuur (6HCl) zou aluminiumoxide (Al₂O₂) reageren met zes mol van deze verbinding om een aluminiumchloride-oplossing (2AlCl₂) te vormen.

• De dichtheid bedraagt 3,99 g/cm³.

• Het heeft een hoog kookpunt van 2.977°C.

Mohs-hardheidsschaal

De hardheidsschaal van Mohs is een willekeurige, niet-lineaire schaal waarmee u tien gemakkelijk verkrijgbare mineralen zoals aluminiumoxide, diamant, siliciumcarbide, enz. kunt meten op basis van hun respectievelijke hardheid, krasbestendigheid van hardere materialen en hun abrasiviteit in een schaal van 1 tot 10. Men zegt dat het een niet-lineaire schaal is, omdat er geen gelijkheid is tussen de relatieve hardheidswaarden.

De hardheid van aluminiumoxide volgens de Mohs-schaal kan worden bepaald door te observeren of het wordt bekrast door een ander mineraal met een bekende hardheid. De hardheid van aluminiumoxide zorgt ervoor dat het een indrukwekkende 9 krijgt op de hardheidsschaal van Mohs. Alleen edelstenen zoals diamant en geavanceerde keramische materialen zoals siliciumcarbide en boorcarbide scoren hoger dan aluminiumoxide.

Diamant staat bovenaan met een score van 10, omdat het gemakkelijk krassen van andere mineralen kan weerstaan. De Mohs-schaal van staal ligt rond de 7,5 tot 8, wat betekent dat het zachtere mineralen zoals topaas en koperslak kan krassen. Dit betekent ook dat het krassen kan oplopen door hardere mineralen zoals aluminiumoxide en diamant.

Alumina-elasticiteitsmodulus

Dit is de meting van de elasticiteit van aluminiumoxide. Het is de verhouding van de elasticiteit in verschillende hoeveelheden en graden. Het geeft meer details over de mechanische sterkte en vervormingsbestendigheid van Al2O3. De pelletiseermethode en tape-castingmethoden zijn doorgaans de meest gebruikte methoden om de elasticiteitsmodulus van aluminiumoxide te bepalen. Het onderscheid tussen deze twee methoden is voornamelijk gebaseerd op de uniformiteit van de dikte van de gebruikte wafers. De twee methoden omvatten het persen van poeder, calcineren, sinteren, pellets maken en deze in wafers snijden. Momenteel is 249 GPa de bekende gemiddelde waarde van de elasticiteitsmodulus van Al2O3, met betrekking tot de dichtheid van 3,99 g/cm³.

Hardheid van aluminiumoxidekeramiek

Moderne keramische materialen profiteren enorm van de Mohs-hardheid van aluminium, omdat ze indrukwekkende harde en krasbestendige oppervlakken hebben. Deze aluminiumoxidekeramiek heeft een goed georganiseerde en stijve kristalroosterstructuur die strak aansluit.

Hoge druksterkte, sterke abrasiviteit en corrosie-, slijtage- en scheurbestendigheid zijn enkele van de uitstekende mechanische eigenschappen van aluminiumoxidekeramiek. Dit betekent dat deze geavanceerde keramiek zware belastingen kan weerstaan zonder hun oorspronkelijke structuur te veranderen. Het kan industrieel worden gebruikt onder intense hitte voor de productie van transportsystemen en leidingen die een hoge wrijving vereisen. Het is bovendien chemisch inert, waardoor het een geschikt materiaal is voor de productie van laboratoriumapparatuur.

De Rockwell-hardheid van aluminium en de Vickers-hardheidstest zijn twee van de meest gebruikte methoden om de hardheid van aluminiumoxidekeramiek te meten. U kunt deze test uitvoeren door een indringer op het oppervlak van het materiaal te plaatsen en vervolgens de vervorming te meten die u ziet. U kunt ook de mechanische eigenschappen van het aluminiumoxidekeramiek afleiden uit de resultaten van deze tests.

Omdat aluminiumoxidekeramiek broos is, vooral wanneer het wordt blootgesteld aan buigkrachten of spanning, kunnen de taaiheid en duurzaamheid ervan worden verbeterd door bepaalde polymeren en metalen toe te passen in een elektrochemisch proces dat anodiseren wordt genoemd. Hierdoor neemt de efficiëntie toe.

Alumina-kwaliteiten

Aluminiumoxide bestaat in verschillende vormen en kwaliteiten vanwege de verschillende industriële processen die er zijn. Enkele van deze kwaliteiten zijn:

• Gesmolten wit aluminiumoxide

• Gesmolten bruin aluminiumoxide

• Gecalcineerd aluminiumoxide

• Reactief aluminiumoxide

• Bellen aluminiumoxide

• Geactiveerd aluminiumoxide

• Submicron aluminiumoxide.

Aan de verschillende soorten aluminiumoxide zijn specifieke eigenschappen en toepassingen verbonden.

Toepassingen van aluminiumoxide

Aluminiumoxide kan wereldwijd in diverse sectoren worden gebruikt. We zullen de belangrijkste toepassingen nader bekijken, waaronder:

Geavanceerde keramische industrie

De hardheid en sterkte van aluminiumoxide zijn zeer nuttig in de geavanceerde keramische industrie. Het wordt gebruikt bij de productie van ovenisolatie en ovenbekleding. Naast dat het een goedkoop alternatief is voor industriële diamant, wordt het ook veel gebruikt als goed schuurmiddel. Aluminiumoxidekristallen vormen het grootste deel van veel schuurpapier. Slijpbewerkingen profiteren ook sterk van Al2O3 vanwege de lage warmteretentie en lage soortelijke warmte.

Metallurgie

Aluminiummetaal ontleent zijn abrasiviteit en hardheid aan aluminiumoxide. Het hoge smeltpunt en de hoge brekingsindex maken het een uitstekend vuurvast materiaal voor de productie van aluminiummetaal. Recente studies hebben aangetoond dat in 2015 jaarlijks 80-90% van de wereldwijd geproduceerde hoeveelheid aluminiumoxide werd gebruikt voor de productie van aluminiummetaal.

Kunststoffen en cosmetica

De kunststof- en cosmetica-industrie wordt niet vergeten, aangezien zij aluminiumoxide effectief als vulstof gebruiken. Dit is mogelijk dankzij de inerte aard en witheid van de verbinding.

Glas

Aluminiumoxiden zijn een belangrijk bestanddeel van glas. Hun krasbestendige eigenschappen zorgen ervoor dat metaalcoatings, glas en optische apparatuur goed beschermd zijn.

Verf

Industrieën die zich bezighouden met de productie van verf, gebruiken vlokken van aluminiumoxide om reflecterende decoratieve effecten te bereiken.

Samengestelde vezel

Commerciële vezelmaterialen danken hun hoge prestaties aan de hardheid van aluminiumoxide. Al2O3 heeft de productie van aluminiumoxide nanovezels recentelijk tot een groeiende trend gemaakt.

Militair

Alumina keramische platen zijn componenten die kogelwerend en robuust maken voor militaire kogelwerende vesten. Alumina keramische platen, een product met aluminiumoxidehardheid, worden voornamelijk gebruikt door het leger en hebben in de loop der tijd de kwaliteit en efficiëntie van het leger aanzienlijk verbeterd.

Halfgeleiders en elektronica

Printplaten, halfgeleiders, capaciteitsdiëlektrica en vermogenselektronica maken doorgaans gebruik van de isolerende eigenschappen van aluminiumoxide. De elektrisch isolerende eigenschappen maken het essentieel voor deze printplaten, halfgeleiders en condensatordiëlektrica.

Geneesmiddel

De moderne geneeskunde dankt een deel van haar technologische vooruitgang aan aluminiumoxide. De hardheid van aluminiumoxide blijkt biocompatibel te zijn met medische hulpmiddelen, kunstmatige gewrichten en botten, en tandheelkundige implantaten.

Wereldwijde marktomvang van aluminiumoxide

De aluminiumoxidemarkt groeit in een razend tempo. In 2022 werd de marktomvang geschat op $20 miljard. Momenteel bedraagt de samengestelde jaarlijkse groei (CAGR) 7% en naar verwachting zal deze in 2030 $70 miljard dollar bedragen. Bij GGSCeramics bieden we u hoogwaardige aluminiumoxideproducten met een zeer hoge zuiverheid en indrukwekkende dichtheid voor al uw toepassingen.

Veelgestelde vragen

Is aluminiumoxide basisch of zuur?

Aluminiumoxide is een metaaloxide dat amfoteer is. Dat betekent dat het zich als base en als zuur kan gedragen. De aard van de stof waarmee het reageert, bepaalt of het zich als base of als zuur gedraagt.

Welke methoden worden gebruikt om de elasticiteitsmodulus van aluminiumoxide te bepalen?

Er worden twee methoden gebruikt: de pelletiseermethode en de tape-gietmethode.

Welke vloeistoffen reageren normaal gesproken met aluminium?

Vloeistoffen zoals verdund zoutzuur, vloeibaar broom en aluminiumchloride zijn enkele van de vloeistoffen die bij kamertemperatuur mogelijk kunnen reageren met aluminiumoxide.

Conclusie

Dankzij de snelle vooruitgang in moderne technologie en industrialisatie ontwikkelt aluminiumoxide zich tot een gamechanger en een belangrijke speler in diverse materiaalsectoren. Het is bruikbaar in diverse industrieën, variërend van de productie van een breed scala aan geavanceerde keramische materialen tot toepassingen in vermogenselektronica, de geneeskunde en vele andere, en maakt het een veilige en interessante sector om in te investeren.