Wstęp
Wierzymy, że nie jest już ukrytym faktem, że tlenek glinu zyskał tak dużą popularność w zaawansowanej branży ceramicznej. Jest szeroko znany ze swojej wyjątkowej twardości i ścieralności, co często czyni go tańszą alternatywą dla diamentu przemysłowego. Interesujące, prawda?
Dzisiejszy artykuł przedstawia kompleksową analizę tlenku glinu, jego wyjątkowe właściwości i liczne zastosowania.
Charakterystyka tlenku glinu
Tlenek glinu to bezwonny krystaliczny związek powstający z chemicznej kombinacji glinu i tlenu. Jest to biały stały związek o wzorze chemicznym Al2O3, powszechnie nazywany glinem, korundem lub tlenkiem glinu. Występuje głównie w postaci sproszkowanej i naturalnie występującej; tlenek glinu (III) (Al2O3). Ma szereg zastosowań w przemyśle wytwórczym, handlowym i chemicznym ze względu na swoje wyjątkowe właściwości.
Tlenek glinu jest znany ze swojej doskonałej ścieralności i wyjątkowej twardości, a tylko węglik krzemu i diament wzmacniający są lepszej jakości od niego. W rzeczywistości skala twardości stali Mohsa umieściła twardość tlenku glinu na imponującym poziomie 9. Ponadto, ze względu na obecność kryształów tlenku glinu, jest to bardzo odpowiedni materiał do produkcji metali aluminiowych o wysokiej wytrzymałości, tlenku materiały ceramiczne, silnych materiałów ściernych, takich jak papier ścierny, a nawet jako zamiennik cennych kamieni szlachetnych, takich jak rubin, szafir itp. Ta twardość sprawia, że są one również przydatne w operacjach zgrubnego docierania.
Tlenek glinu jest w większości amfoteryczny z natury i posiada wysoką temperaturę topnienia 2072°C, co czyni go dobrym materiałem ogniotrwałym. Ma temperaturę wrzenia 2977°C i gęstość 3,99 g/cm³. Jest nierozpuszczalny w żadnym rozpuszczalniku, w tym w wodzie, posiada wysoki współczynnik załamania światła i przewodność cieplną około 30 Wm−1K−1. Ma również podatność magnetyczną −37,0×10−6 cm³/mol.
Tlenek glinu ma oktaedryczną strukturę trygonalną i masę cząsteczkową 101,960 g·mol−1. Naturalnie występujące formy Al2O3, takie jak korund i boksyt, mogą być wykorzystywane w wielu firmach inżynieryjnych jako materiały adsorpcyjne lub nawet środki osuszające.
Pomimo twardości tlenku glinu i nadanej mu nazwy tlenku metalicznego, jest to nadal materiał ceramiczny, co czyni go użytecznym w zaawansowanej branży ceramicznej. Dzieje się tak, ponieważ ten stały związek krystaliczny utworzony z pomocą tlenu jest znany z wysokiej odporności na korozję lub rdzę. Co najważniejsze, wytwarza cienką warstwę, która jest mocno przyklejona, co czyni ją nierozpuszczalną w rozpuszczalniku, w którym jest umieszczona.
Zastosowania tlenku glinu (Al2O3)
Zastosowania tlenku glinu są bardzo liczne. Jak już wspomnieliśmy wcześniej, oto niektóre z nich:
-
Jest stosowany jako katalizator w reakcjach chemicznych
-
Stosuje się go w celu usunięcia gazów z wody podczas jej oczyszczania.
-
Stosowany jest w produkcji szkła.
-
Jest stosowany jako doskonały materiał ścierny w papierze ściernym.
-
Lampy sodowe wykorzystują tlenek glinu.
-
Podłoża do układów scalonych wykorzystują tlenek glinu w formie izolatora elektrycznego.
-
Jest stosowany jako jeden ze składników w produkcji kosmetyków, takich jak kremy przeciwsłoneczne, lakiery do paznokci, szminki itp.
-
Ze względu na odporność na zarysowania i właściwości ścierne jest stosowany do powlekania naczyń kuchennych.
Produkcja tlenku glinu
Jego główny składnik, aluminium, występuje w dużych ilościach w postaci laterytów w glebie, szczególnie w glebie czerwonej, która jest drugim co do wielkości minerałem na Ziemi. obfity metalDobrym przykładem tej formy laterytu wykorzystywanej w produkcji tlenku glinu jest boksyt, który składa się z zanieczyszczeń w postaci tlenku żelaza, kwarcu, krzemianów, tlenku glinu 55%, bemitu (γ−AlO(OH), diaspory (α−AlO(OH) i gibbsytu (Al(OH)3).
Jest on produkowany głównie w wyniku prostej procedury chemicznej znanej jako Proces Bayera. Następnie procedura ta kulminuje w kalcynacji, aby ostatecznie uzyskać proszek tlenku glinu. Teraz wyjaśnijmy, jak przebiega ten Proces Bayera.
Najpierw ruda zawierająca boksyt, w temperaturach sięgających 175°C, jest rozbijana na gorący roztwór wodorotlenku sodu. Prowadzi to do powstania glinianu sodu. Następnie następuje faza filtracji tlenku glinu. Odfiltrowany tlenek glinu jest zazwyczaj wysokiej jakości.
Następnie stosuje się zbiornik osadnika do chłodzenia tego gorącego roztworu. Kryształy wodorotlenku glinu formują się stopniowo w miarę stygnięcia roztworu. Następnie nowo utworzone kryształy w wysokich temperaturach około 1260°C są poddawane kalcynacji w piecu. Końcowym produktem jest proszek tlenku glinu.
Właściwości tlenku glinu
Tlenek glinu ma szereg właściwości, które sprawiają, że jest niezwykle istotnym materiałem w wielu sektorach dzisiejszej światowej gospodarki, w tym:
-
Jego temperatura topnienia wynosi 2072°C.
-
Posiada wysoką przewodność cieplną wynoszącą 30 Wm−1K−1.
-
Jego masa cząsteczkowa wynosi 101,960 g·mol−1.
-
Ulega silnej reakcji neutralizacji z kwasem siarkowym. Ze względu na amfoteryczną naturę tlenku metalu, działa skutecznie jako zasada i kwas.
-
Reakcja z kwasem solnym - Al2O3 reaguje z kwasami, takimi jak rozcieńczony kwas solny, w taki sam sposób jak tlenek magnezu i sodu Tak by było. Dzieje się tak ze względu na jony tlenkowe w nich zawarte. Na przykład, w przypadku rozcieńczonego kwasu solnego (6HCl), tlenek glinu (Al2O3) zareagowałby z sześcioma molami tego związku, dając roztwór chlorku glinu (2AlCl3).
-
Jego gęstość wynosi 3,99 g/cm³.
-
Jego temperatura wrzenia wynosi 2977°C.
Skala twardości Mohsa
Skala twardości Mohsa to dowolna nieliniowa skala, której można używać do pomiaru dziesięciu łatwo dostępnych minerałów, takich jak tlenek glinu, diament, węglik krzemu itp., w oparciu o ich twardość, odporność na zarysowania przez twardsze materiały i ich ścieralność w skali od 1 do 10. Mówi się, że jest to skala nieliniowa, ponieważ nie ma równości między względnymi wartościami twardości.
Twardość glinu w skali Mohsa można określić, obserwując, czy zostanie zarysowany przez inny minerał o znanej twardości. Twardość tlenku glinu sprawia, że otrzymuje on imponującą ocenę 9 w skali twardości minerałów Mohsa. Tylko kamienie szlachetne, takie jak diament, zaawansowane materiały ceramiczne, takie jak węglik krzemu i węglik boru, są wymienione wyżej niż tlenek glinu.
Diament jest na szczycie z oceną 10, ponieważ jest w stanie wygodnie wytrzymać zarysowania od innych minerałów. Skala Mohsa stali wynosi około 7,5 do 8, co oznacza, że może zarysować miększe minerały, takie jak topaz i żużel miedziowy. Oznacza to również, że może zostać zarysowany przez twardsze minerały, takie jak tlenek glinu i diament.
Moduł sprężystości tlenku glinu
To jest pomiar sprężystości tlenku glinu. Jest to stosunek jego sprężystości w różnych ilościach i stopniach. Daje więcej szczegółów na temat wytrzymałości mechanicznej i odporności Al2O3 na odkształcenia. Metoda peletyzacji i metody Tape Casting są zazwyczaj najczęstszymi sposobami, których można użyć do określenia modułu sprężystości tlenku glinu. Sposób, w jaki można odróżnić te dwie metody, polega głównie na jednorodności grubości użytych płytek. Obie metody obejmują prasowanie proszku, kalcynację, spiekanie, wytwarzanie peletek i cięcie ich na płytki. Obecnie 249 GPa jest znaną średnią wartością modułu sprężystości Al2O3 w odniesieniu do jego gęstości 3,99 g/cm³.
Twardość ceramiki glinowej
Nowoczesne materiały ceramiczne korzystają ogromnie z twardości Aluminium Mohs, ponieważ posiadają imponujące twarde i odporne na zarysowania powierzchnie. Te ceramiki glinowe mają dobrze zorganizowaną i sztywną strukturę sieci krystalicznej, która jest ściśle dopasowana.
Wysoka wytrzymałość na ściskanie, duża ścieralność, odporność na korozję, zużycie i rozdarcie to niektóre z doskonałych właściwości mechanicznych, z których możesz korzystać w przypadku ceramiki glinowej. Oznacza to, że ta zaawansowana ceramika może wytrzymać duże obciążenia bez zmiany swojej pierwotnej struktury. Mogą być stosowane przemysłowo w warunkach intensywnego ciepła do produkcji systemów przenośnikowych i rur wymagających wysokiego poziomu tarcia. Ma również chemicznie obojętną naturę, co czyni ją solidnym materiałem do produkcji sprzętu laboratoryjnego.
Twardość aluminium Rockwella i test twardości Vickersa to dwie z najczęstszych procedur, których możesz użyć do pomiaru twardości ceramiki glinowej. Możesz wykonać ten test, używając wgłębnika na powierzchni materiału, a następnie mierząc odkształcenie, które widzisz. Możesz również wywnioskować właściwości mechaniczne ceramiki glinowej na podstawie wyników uzyskanych z tych testów.
Jednak ze względu na kruchą naturę ceramiki glinowej, zwłaszcza gdy jest poddawana siłom zginającym lub rozciągającym, jej wytrzymałość i trwałość można zwiększyć, stosując określone polimery i metale w procesie elektrochemicznym znanym jako anodowanie. W ten sposób zwiększa się jej wydajność.
Gatunki tlenku glinu
Tlenek glinu występuje w różnych formach i klasach ze względu na różne dostępne procesy przemysłowe. Niektóre z tych klas to:
-
Stopiony biały tlenek glinu
-
Stopiony brązowy tlenek glinu
-
Glin kalcynowany
-
Tlenek glinu reaktywny
-
Glin bąbelkowy
-
Tlenek glinu aktywowany
-
Tlenek glinu submikronowy.
Z różnymi gatunkami tlenku glinu wiążą się określone właściwości i zastosowania.
Zastosowania tlenku glinu
Tlenek glinu może być wykorzystywany w różnych sektorach na całym świecie. Przyjrzymy się bliżej głównym zastosowaniom, które obejmują:
Zaawansowany przemysł ceramiczny
Twardość i wytrzymałość tlenku glinu jest bardzo przydatna w zaawansowanej branży ceramicznej. Jest stosowany do produkcji izolacji pieców i wyłożeń pieców. Oprócz tego, że jest również używany jako tania alternatywa dla diamentu przemysłowego, jest szeroko stosowany jako dobry materiał ścierny. Kryształy tlenku glinu stanowią większość wielu papierów ściernych. Operacje szlifowania również korzystają w dużym stopniu z Al2O3 ze względu na jego niskie zatrzymywanie ciepła i niskie ciepło właściwe.
Metalurgia
Aluminium metal uzyskuje swoją ścieralność i twardość dzięki tlenku glinu. Wysoka temperatura topnienia i współczynnik załamania światła sprawiają, że jest to dobry materiał ogniotrwały do produkcji aluminium metalicznego. Ostatnie badania wykazały, że w 2015 r. 80-90% tlenku glinu produkowanego na świecie było wykorzystywane rocznie do produkcji aluminium metalicznego.
Tworzywa sztuczne i kosmetyki
Przemysł tworzyw sztucznych i kosmetyczny nie jest pominięty, ponieważ mają tendencję do efektywnego wykorzystywania tlenku glinu jako wypełniaczy. Jest to możliwe dzięki obojętnej naturze i białości związku.
Szkło
Tlenki glinu są głównym składnikiem szkła. Ich odporność na zarysowania zapewnia dobrą ochronę powłok metalowych, szkła i sprzętu optycznego.
Farba
Branże zajmujące się produkcją farb wykorzystują płatki tlenku glinu w celu uzyskania odblaskowych efektów dekoracyjnych.
Włókno kompozytowe
Komercyjne materiały włókniste zawdzięczają swoją wysoką wydajność twardości tlenku glinu. Al2O3 sprawił, że produkcja nanowłókien glinu stała się ostatnio rosnącym trendem.
Wojskowy
Płyty ceramiczne z tlenku glinu to komponenty, które sprawiają, że wojskowe kamizelki kuloodporne są kuloodporne i solidne. Płyty ceramiczne z tlenku glinu, produkt twardości tlenku glinu, są głównie używane przez wojsko i z czasem znacznie rozwinęły jakość i wydajność wojska.
Półprzewodniki i elektronika
Płytki drukowane, półprzewodniki, dielektryki pojemnościowe i elektronika mocy zazwyczaj wykorzystują właściwości izolacyjne tlenku glinu. Jego właściwości izolacyjne sprawiają, że jest on niezbędny dla tych płytek drukowanych, półprzewodników i dielektryków kondensatorów.
Medycyna
Medycyna współczesna zawdzięcza część swoich osiągnięć technologicznych tlenkowi glinu. Twardość tlenku glinu okazała się biokompatybilna z urządzeniami medycznymi, sztucznymi stawami i kośćmi, a także implantami dentystycznymi.
Globalny rozmiar rynku tlenku glinu
Rynek tlenku glinu rośnie w fenomenalnym tempie. W 2022 r. wielkość rynku szacowano na $20 miliardów. Obecnie ma on skumulowaną roczną stopę wzrostu (CAGR) wynoszącą 7%, a w rezultacie prognozuje się, że do 2030 r. osiągnie $70 miliardów dolarów. W GGSCeramics dostarczamy Państwu produkty z tlenku glinu o wysokiej wydajności, bardzo wysokiej czystości i imponującej gęstości do wszelkich zastosowań.
Często zadawane pytania
Czy tlenek glinu jest zasadowy czy kwaśny?
Tlenek glinu jest tlenkiem metalu, który jest amfoteryczny. Oznacza to, że może działać jako zasada, a także jako kwas. Natura substancji, z którą reaguje, determinuje, czy będzie działać jako zasada, czy jako kwas.
Jakie metody stosuje się do określania modułu sprężystości tlenku glinu?
Stosowane są dwie metody: metoda peletyzacji i metoda odlewania taśmowego.
Jakie płyny zazwyczaj reagują z aluminium?
Do cieczy, które w temperaturze pokojowej mogą wchodzić w reakcję z tlenkiem glinu, należą między innymi rozcieńczone kwasy solne, ciekły brom i chlorek glinu.
Wniosek
Dzięki szybkiemu postępowi w nowoczesnej technologii i industrializacji tlenek glinu staje się przełomowym i kluczowym graczem w różnych sektorach materiałowych. Jego przydatność w wielu branżach, od produkcji szerokiej gamy zaawansowanych materiałów ceramicznych, zastosowań w elektronice mocy, medycynie i wielu innych, sprawia, że jest to bezpieczny i interesujący sektor do inwestowania.