Что такое глинозем: все, что вам нужно знать

Оксид алюминия является одним из самых популярных видов керамики на рынке. Согласно маркетинговым исследованиям, размер мирового рынка глинозема достиг 44,73 млрд юаней в 2024 году и, как ожидается, вырастет до 46,83 млрд долларов США в 2025 году и, как ожидается, превысит 70,8 млрд долларов США в 2034 году. Это показывает важность глинозема как материала.

В этом руководстве вы узнаете все о глиноземе. От производственных процессов, свойств, типов до применений, вы можете найти разнообразную информацию о нем здесь.

 

---

Быстрые ссылки

1. Что такое оксид алюминия?
2. Химическая структура оксида алюминия
3. Процесс производства глинозема
4. Свойства оксида алюминия
5. Типы оксида алюминия
6. Применение оксида алюминия

 

---

Что такое оксид алюминия?

Глинозем — это драгоценное соединение, извлекаемое из бокситов. Он состоит из двух элементов: кислорода и алюминия. Природный глинозем существует в виде кристаллического твердого вещества. Физическое состояние обработанного глинозема — белый порошок. Он нерастворим в воде и других распространенных растворителях, таких как пропанол и этанол (это свойство применимо к большинству оксидов металлов). Кроме того, глинозем классифицируется как амфотерное соединение, поскольку он может реагировать как с основаниями, так и с кислотами.

Реакция с сильной кислотой: Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O

Реакция с сильным основанием: Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O

Другие названия оксида алюминия включают: глинозем, оксид алюминия (III), алоксит, а также алоксид.

Промышленные термины: Алоксит, Алунд

Минералогическое название: Корунд

 

---

Химическая структура оксида алюминия

Химическая структура и молекулярная формула

Химическая формула оксида алюминия — Al2O3. Как важное неорганическое вещество, молекулярная структура оксида алюминия имеет уникальные характеристики. Молекулярная масса оксида алюминия составляет 101,96 г/моль, а стехиометрическое соотношение — Al:O = 2:3.

Его электронная конфигурация выражается как:

Al³⁺: [Нэ]
O²⁻: [Ne]2s²2p⁶

Соединения обычно представлены химическими формулами, которые помогают показать пропорции отдельных атомов, присутствующих в элементах конкретного соединения.

Возьмем в качестве примера оксид алюминия. Мы выражаем химическую формулу оксида алюминия как Al2O3. В этом случае индексы 2 и 3 указывают число атомов двух элементов, которые обмениваются, что объясняет, почему оксид алюминия имеет ионные связи.

Кристаллическая структура оксида алюминия

Глинозем имеет много кристаллических форм, наиболее распространенной из которых является α-Al2O3 (корунд), который организован в гексагональные плотноупакованные ионы кислорода. Гексагональная структура выглядит как кристалл, поэтому глинозем очень твердый.

Структура α-Al2O3 имеет следующие характеристики:

• Гексагональная плотноупакованная решетка ионов кислорода;
• Ионы алюминия занимают 2/3 октаэдрических пустот;
• Параметры элементарной ячейки: а = 4,758 Å, c = 12,991 Å;
• Космическая группа: R3c

Помимо α-Al2O3, оксид алюминия также имеет другие важные кристаллические фазы, такие как:

• γ-Al2O3: кубическая структура шпинели
• θ-Al2O3: моноклинная система
• δ-Al2O3: тетрагональная или орторомбическая структура
• κ-Al2O3: орторомбическая структура

Каждая кристаллическая фаза имеет свои уникальные свойства!

 

---

Процесс производства глинозема

Вам интересно, как сделать глинозем? В этом разделе подробно описывается процесс производства глинозема. процесс Байера один из важнейших методов промышленного производства глинозема. Был изобретен Карлом Йозефом Байером в 1887 году.

Поскольку металлический алюминий легко реагирует с кислородом воздуха, образуя соединение — глинозем, процесс Байера является идеальным методом очистки. Этот метод использует в качестве сырья боксит. Основная цель — отделить глинозем от примесей, таких как железо, титан и диоксид кремния. После ряда химических обработок можно получить глинозем высокой чистоты.

Стадия пищеварения

На этапе вываривания вы смешиваете глинозем с концентрированным раствором гидроксида натрия. После того, как компоненты боксита растворятся в гидроксиде натрия, их можно отделить путем фильтрации.

Переработка сырья: Измельчите боксит до размера менее 200 меш, смешайте с раствором гидроксида натрия и обработайте при температуре 160–180 ℃ и давлении 3,5–4,5 МПа.

Химическая реакция:  Al2O3·xH2O + 2NaOH → 2NaAlO2 + (x+1)H2O

Контроль ключевых параметров: Точность температуры контролируется на уровне ±2℃; концентрация раствора Na2O 300-350 г/л; время реакции 1-2

Стадия фильтрации:

Стадия фильтрации заключается в удалении примесей из фильтрата, в результате чего остается чистый оксид алюминия, однако следует учитывать, что этот метод не является самым эффективным и не удаляет все примеси.

Разделение твердой и жидкой фаз: Использование фильтров высокого давления для разделения красного шлама и раствора алюмината натрия.

Управление процессом: Температура фильтрации поддерживается на уровне 95–105 ℃, давление — на уровне 0,4–0,6 МПа, а скорость фильтрации — на уровне 8–12 м3/(м2·ч).

Обработка красной грязью: Промыть и восстановить щелочной раствор, а также комплексно использовать красный шлам.

Стадия выпадения осадков:

Этот процесс требует охлаждения оксида алюминия для осаждения. Когда образуются мелкие кристаллы оксида алюминия, охлаждение прекращается. Вы также можете ускорить этот процесс, используя гидроксид алюминия в качестве катализатора.

Добавление семян: Добавьте семена размером 60-80 мкм в соотношении 30-50 г/л.

Условия выпадения осадков: Осаждать при температуре 45-55℃ в течение 24-36 часов, значение pH контролировать в пределах 13,5-14,0

Химическая реакция: 2NaAlO2 + 4H2O → 2Al(OH)3↓ + 2NaOH

Стадия прокалки:

Этот процесс требует нагревания глинозема до тех пор, пока не будет удалена вся кристаллизационная вода. Этот шаг гарантирует, что гидратированный глинозем станет безводным глиноземом.

Прокалка на воздухе при температуре 1000-1200℃ в течение 1-2 часов

Химическая реакция: 2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O

 

Выше приведены простые этапы процесса получения глинозема по методу Байера. Помимо метода Байера, существует множество других процессов, таких как спекание, выщелачивание, гидротермальный процесс и т. д.

 

 

---

Свойства оксида алюминия

Оксид алюминия проявляет различные химические и физические свойства. Ниже приведены некоторые из общих примечательных свойств оксида алюминия.

Для вашего удобства прилагается таблица эксплуатационных параметров глинозема.

Свойства материала оксид алюминия
Имя			Глинозем (Al2O3)		Механические свойства	Твердость по Виккерсу, нагрузка 500 г		（ГПа）	13.7
Цвет			Белый			Прочность на изгиб		МПа	350
Основные характеристики			Высокая термостойкость			Прочность на сжатие		МПа	–
			Высокая изоляция			Модуль упругости Юнга		ГПа	320
			Коррозионная стойкость			Коэффициент Пуассона		–	0.23
			Высокая механическая прочность			Вязкость разрушения		МПа·√м	–
Насыпная плотность			(Кг/м³)	3,7×103	Электрические характеристики	Диэлектрическая прочность		В/м	15 × 10⁶
Поглощение воды			%	0		Объемное удельное сопротивление	20℃	Ом·см	>10¹⁴
Тепловые свойства	Коэффициент линейного расширения	40-400℃	×10⁻⁶/°С	7.2			300℃		10¹⁰
		40-800℃		7.9			500℃		10⁸
	Теплопроводность		Вт/м·К	24		Диэлектрическая проницаемость (1МГц)		–	9.4
	Удельная теплоемкость		Дж/кг·К	0,78 × 10³		Тангенс угла диэлектрических потерь (1МГц, ×10⁻⁴)		(×10⁻⁴)	4
	Устойчивость к термическому удару (в воде)		℃	200		Коэффициент потерь		(×10⁻⁴)	38

Механические свойства

Оксид алюминия обладает превосходной твердостью по сравнению с другими металлическими соединениями. Поэтому это свойство делает его подходящим соединением для многочисленных промышленных применений.

Оксид алюминия можно использовать в:

1. Производство промышленных абразивов
2. Промышленное производство режущего и шлифовального инструмента.

Кроме того, оксид алюминия также является подходящим элементом в металлообрабатывающей промышленности для изготовления отделочных и формовочных материалов.

Твёрдость и прочность

Твёрдость по Виккерсу:

• 99.5% чистота: 15-17 ГПа
• 99.9% чистота: 18-20 ГПа

Прочность на изгиб:

• Комнатная температура: 300-400 МПа
• 1000°С: 150-200 МПа

Вязкость разрушения:

• 3,5-4,5 МПа·м½
• Чем выше чистота оксида алюминия, тем выше прочность.

Точка кипения

Температура кипения оксида алюминия существенно отличается от температуры кипения других оксидов металлов. При нормальных обстоятельствах температура кипения оксида алюминия составляет 2977 градусов по Цельсию. В результате этого вы можете использовать оксид алюминия в приложениях, требующих высоких температур.

К ним относятся производство деталей котлов, использование в качестве абразива при производстве наждачной бумаги и производство печей.

Температура кипения: 2977°С ±10°С

Температура фазового перехода:

• Фазовый переход γ→α: ~1000°C
• Фазовый переход θ→α: ~1150°C

Температура плавления

Al2O3 имеет температуру плавления около 2072 градусов Цельсия. Высокая температура плавления объясняется сильными ионными связями, которые существуют внутри молекул.

Вы можете использовать оксид алюминия в различных промышленных приложениях, где требуются высокие температуры плавления. Такие приложения включают в себя производство стекла, обжиговые печи, строительство печей и т. д.

• Температура плавления: 2072°С ±5°С

Дальнейшее чтение: Температуры плавления большего количества керамических материалов

Плотность

Оксид алюминия имеет более высокую плотность по сравнению с другими оксидами металлов. Обычно плотность составляет от 3,90 до 4,2 г/см3. Изменение плотности в оксиде алюминия зависит от типа примесей, а также от структуры металла.

Кристаллическая структура

Кристаллическая структура атомов в оксиде алюминия имеет гексагональную структуру. Кроме того, соотношение анионов кислорода и катионов алюминия в соединении составляет 3:2. Это означает, что на каждые три атома кислорода приходится два атома алюминия.

Химическая стабильность

Химическая стабильность оксида алюминия относится к степени его реакции с другими элементами. В этом случае оксид алюминия является высокореактивным оксидом металла. Это связано с тем, что металлический алюминий легко реагирует с кислородом воздуха, образуя стабильное соединение (оксид алюминия).

Изоляция

Изоляционные свойства оксида алюминия делают его идеальным изолятором во многих промышленных применениях. Например, большинство электроизоляций зависят от оксида алюминия, например конденсаторы, а также другие интегральные схемы.

Напротив, несмотря на превосходную электроизоляцию, оксид алюминия является плохим проводником тепла.

Объемное удельное сопротивление:

• Комнатная температура: >10¹⁴ Ом·см
• 1000°C: ~10⁸ Ом·см

Прочность на разрыв:

• 10-15 кВ/мм (комнатная температура)
• Уменьшится с ростом температуры

 

---

Типы оксида алюминия

Существуют различные типы оксидов алюминия. Каждый отдельный тип имеет свои уникальные свойства. Ниже приведены некоторые из известных типов оксидов алюминия:

Корунд

Это особый тип оксида алюминия, который выглядит как кристалл. Таким образом, корунд является нечистой формой оксида алюминия. Он содержит другие компоненты, такие как хром и железо среди прочих.

Такие примеси определяют тип цвета оксида алюминия. Например, красный цвет в оксиде алюминия подтверждает наличие хрома.

Кроме того, оксид алюминия, богатый хромом, классифицируется как рубиновый. С другой стороны, оксид алюминия может обладать различными цветами в отличие от рубинового сорта. Такие типы классифицируются как сапфиры.

Твердость и прочность являются доминирующими свойствами, которыми обладают корунды. Эти свойства делают корунд пригодным для большинства абразивных применений, таких как производство наждачной бумаги.

Основные характеристики:

• Основной компонент: α-Al2O3
• Сингония: тригональная
• Цвет: бесцветный (чистый) и различных цветов (содержащий примеси, такие как железо, хром и т. д.)

Эксплуатационные характеристики:

• Твёрдость по шкале Мооса: 9
• Плотность: 3,95-4,1 г/см³
• Очень высокая химическая стабильность
• Отличная износостойкость

Основные области применения:

• Высококачественные абразивы, наждачная бумага
• Оптические материалы
• Украшения из драгоценных камней (рубин, сапфир)
• Прецизионные керамические изделия

 

Бёмит

Бемит обычно называют гидроксидом алюминия. Он выглядит как смесь разных цветов: коричневого, желтого, белого и красного.

Различия в цвете обусловлены составом примесей в металлической руде.

Бёмит относительно менее твёрдый и прочный по сравнению с корундом.

По этой причине бемит не пригоден для промышленного производства абразивных материалов.

Основные характеристики:

• Основной компонент: γ-AlO(OH)
• Кристаллическая структура: орторомбическая сингония
• Внешний вид: белый или светло-коричневый

Эксплуатационные характеристики:

• Хорошая термическая стабильность
• Высокая удельная площадь поверхности
• Контролируемая структура пор
• Отличная диспергируемость

Основные области применения:

• Носитель катализатора
• Адсорбент
• Покрытие

Огнестойкий материал

 

Диаспора

Диаспор оксид алюминия иногда называют диаспоритом. Диаспорит выглядит как белые кристаллы, которые характерно имеют одинаковый размер.

В отличие от бёмита, диаспориты относительно твёрже и обладают большей прочностью на разрыв. Однако, несмотря на высокую прочность на разрыв, диаспориты обладают плохой цепкостью. Это объясняет, почему они обычно очень хрупкие по своей природе. Точно так же они нерастворимы в воде и других универсальных растворителях.

Основные характеристики:

• Основной компонент: α-AlO(OH)
• Кристаллическая структура: орторомбическая сингония
• Цвет: белый, серый или светло-коричневый

Эксплуатационные характеристики:

• Хорошая огнестойкость
• Высокая механическая прочность
• Стабильные химические свойства
• Низкий коэффициент теплового расширения

Основные области применения:

• Различные огнеупорные материалы
• Высокотемпературные керамические применения
• Специальный цемент
• Шлифовальные материалы

 

Гамма-глинозем

Он относится к особому типу оксида алюминия, который обычно используется в нефтяной промышленности. Естественно, он встречается в виде белых кристаллов, поэтому напоминает чистый оксид алюминия.

Примечательным свойством гамма-глинозема является его способность легко растворяться как в основаниях, так и в кислотах. Кроме того, этот тип глинозема также легко растворяется в воде, образуя раствор.

Основные характеристики:

• Химическая формула: γ-Al2O3
• Кристаллическая структура: кубический шпинельный тип
• Удельная поверхность: 150-300 м²/г

Эксплуатационные характеристики:

• Высокая удельная площадь поверхности
• Сильная каталитическая активность
• Хорошая термическая стабильность
• Пористая структура

Основные области применения:

• Носитель катализатора
• Адсорбент
• Осушитель
• Обработка поверхности

 

Альфа-глинозем

Он отличается от гамма-глинозема пористостью, теплопроводностью, а также плотностью. Как правило, альфа-глиноземы более плотные, имеют хорошую теплопроводность и твердые, в отличие от гамма-глинозема.

Основные характеристики:

• Химическая формула: α-Al2O3
• Кристаллическая структура: гексагональная плотноупакованная
• Чистота: обычно >99,5%

Эксплуатационные характеристики:

• Самая стабильная фаза оксида алюминия
• Отличные механические свойства
• Высокая температурная стабильность
• Химически инертный

Основные области применения:

• Высококачественная керамика
• Электронные подложки
• Биокерамика
• Оптические устройства

 

---

Применение оксида алюминия

Оксид алюминия имеет многочисленные промышленные применения. Вот некоторые из наиболее распространенных применений:

Керамика

Оксид алюминия является важным сырьем, широко используемым в промышленном производстве керамики. Например, керамическое покрытие для автомобилей изготавливается из оксида алюминия.

Техническая керамика
В области технической керамики основное применение оксида алюминия сосредоточено в производстве высокопроизводительных компонентов. Такая керамика обычно требует керамики из оксида алюминия чистотой 99,5% или даже выше для достижения оптимальных характеристик.
Например, в оборудовании для производства полупроводников алюмооксидная керамика может использоваться для изготовления держателей пластин и других компонентов благодаря превосходной стойкости оксида алюминия к высоким температурам и коррозии.
В производстве точных приборов оксид алюминия также используется для изготовления измерительных зондов и компонентов датчиков благодаря своей размерной стабильности и износостойкости.

Конструкционная керамика
Основные области применения конструкционной керамики — это несущие нагрузки и защита. В машиностроении подшипники и уплотнения из оксида алюминия демонстрируют вам свою уникальную износостойкость, а его превосходный срок службы также делает его эффективным в высокоскоростном вращающемся оборудовании.
В области защиты глинозем используется в военной технике. Броня из глинозема имеет чрезвычайно высокую твердость и хорошую прочность, и является важной частью военного защитного оборудования.

 

Биомедицинские приложения

Оксид алюминия может использоваться в качестве биоматериала для замены поврежденных тканей в организме человека. Сюда входят такие органы, как конечности, руки, кости и суставы. Аналогичным образом вы можете применить свои знания о биоматериалах к светоизлучающим устройствам для больничного лечения, например, используя эти знания для лечения раковых клеток, которым для заживления требуется свет.

Искусственные органы
Применение оксида алюминия в биомедицинской области в основном отражено в искусственных суставах и зубных имплантатах. Оксид алюминия обладает хорошей биосовместимостью и может быть идеальным материалом для медицинских имплантатов.
В некоторых операциях по замене тазобедренного сустава шаровые головки из оксида алюминия могут обеспечить более низкий коэффициент трения и хорошую износостойкость. В последние годы композитные материалы на основе оксида алюминия также достигли хороших результатов в области реставрации зубов.

Медицинские приборы
Помимо человеческих имплантатов, оксид алюминия также широко используется для производства хирургических инструментов и деталей диагностического оборудования. Эти устройства обычно требуют отличных свойств очистки и стерилизации, а химическая стабильность и нетоксичность оксида алюминия как раз отвечают этим требованиям. Кроме того, в медицинском диагностическом оборудовании керамические окна из оксида алюминия также широко используются из-за их хорошей пропускаемости рентгеновских лучей.

 

Огнеупорные материалы

Производство огнеупорных материалов в значительной степени зависит от оксида алюминия как сырья. Это объясняется подходящими физическими и химическими свойствами глинозема, такими как,

• Отличная прочность на растяжение и механическая прочность,
• Хорошая теплопроводность.
• Высокая температура кипения и плавления.
• Коррозионная и химическая стойкость.
• Использование глинозема в огнеупорных изделиях

Глинозем широко используется в различных огнеупорных изделиях. Вы можете использовать огнеупоры в цементной промышленности, стекольном производстве и производстве стали.

Цементная промышленность
При производстве цемента огнеупорные материалы на основе глинозема в основном используются для футеровки вращающихся печей. Глинозем выдерживает высокие температуры свыше 1450°C и сильную химическую коррозию, и очень удобен в таких суровых условиях. Если использовать кирпичи из глинозема высокой чистоты, можно значительно продлить срок службы печи и сократить время простоя на техническое обслуживание.

Производство стекла
Использование огнеупорных материалов из глинозема в стекловаренных печах может обеспечить вам отличную коррозионную стойкость и хорошую термическую стабильность. Высокочистый глинозем может сохранять свою полную структуру при 1600℃, что эффективно предотвращает проникновение и эрозию стеклянной жидкости. Если огнеупорные материалы из глинозема используются в больших количествах, это может эффективно увеличить срок службы вашей печи.

Металлургия железа и стали
В сталелитейной промышленности огнеупорные материалы на основе глинозема могут использоваться в системах заливки и высокотемпературных рабочих зонах. Эти зоны обычно должны выдерживать эрозию и термический удар расплавленного металла, а материалы на основе глинозема высокой чистоты хорошо выдерживают термический удар, обеспечивая безопасную эксплуатацию плавильного оборудования.

 

Электроника

Оксид алюминия является важным сырьем в производстве различных электронных приборов. Обычно оксид алюминия обладает хорошими изоляционными свойствами, что важно для предотвращения поражения электрическим током.

По этой причине он обычно применяется в автоматических выключателях. Другие области применения оксида алюминия в электронике включают резисторы и конденсаторы.

Компоненты схемы
В электронной промышленности оксид алюминия может быть использован в качестве подложек. Его превосходные теплоотводящие и изоляционные свойства могут стать важным материалом для корпусирования интегральных схем. Особенно в некоторых мощных светодиодных и радиочастотных устройствах превосходные свойства подложек из оксида алюминия могут быть использованы для их производительности значительно улучшены.

Изоляционные материалы
Оксид алюминия обладает изолирующими свойствами и может использоваться в качестве изоляционного материала. Он широко используется в качестве изоляторов в высоковольтном электрооборудовании.

 

Абразивы

В области абразивов оксид алюминия является предпочтительным материалом для различных высококачественных шлифовальных работ. Его превосходная твердость и прочность делают его превосходным шлифовальным материалом. В некоторых процессах обработки металлических и деревянных поверхностей абразивы из оксида алюминия являются практически идеальным выбором.

Расширенное чтение: Абразив на основе оксида алюминия против абразива на основе карбида кремния

Расширенное чтение: Больше применений глинозема

 

---

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что оксид алюминия является одним из самых ценных оксидов металлов, встречающихся в природе на поверхности Земли.

Он обладает различными химическими и физическими свойствами, что делает его пригодным для многочисленных промышленных применений.

 

---

Часто задаваемые вопросы

Ниже приведены часто задаваемые вопросы об оксиде алюминия как металлическом соединении.

1. Токсичен ли оксид алюминия для человека?

С медицинской точки зрения оксид алюминия менее токсичен для организма человека и может считаться нетоксичным, поскольку прием оксида алюминия внутрь не вызывает серьезных проблем со здоровьем.

Ежедневный контакт с оксидом алюминия безопасен и надежен, однако оксид алюминия нельзя глотать, так как он может вызвать незначительные проблемы со здоровьем, такие как головные боли, тошнота, кашель и рвота. Поэтому оксид алюминия не должен попадать в организм человека.

Дальнейшее чтение: Токсичен ли оксид алюминия?

2. Почему оксид алюминия стоит дорого?

По сравнению с другими оксидами металлов оксид алюминия относится к числу самых дорогих металлических соединений.

Производство оксида алюминия требует больших затрат энергии, что существенно влияет на стоимость.

 

Это объясняет, почему алюминий ценится так высоко по сравнению с другими металлами. Как правило, высокая стоимость компенсирует процесс производства.

3. Безопасен ли оксид алюминия?

Поиск безопасности оксида алюминия остается загадкой для многих людей. Однако было доказано, что оксид алюминия безопасен для человека.

В некоторых редких случаях у тех, кто использует это соединение алюминия, наблюдаются побочные эффекты.

Например, легочная недостаточность в результате вдыхания алюминиевой пудры, раздражение глаз и кожи.