Aluminiumoxid, allgemein bekannt als Aluminiumoxid (Al2O3), ist ein inertes, geruchloses, weißes amorphes Material, das häufig in der Industriekeramik verwendet wird. Aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften hat Aluminiumoxid zu einer beträchtlichen Anzahl von lebensverlängernden und gesellschaftsfördernden Anwendungen beigetragen. Es wird häufig im medizinischen Bereich und in der modernen Kriegsführung eingesetzt.
Aluminiumoxid ist eine thermisch instabile und unlösliche Verbindung, die in der Natur in verschiedenen Mineralien wie Korund, einer kristallinen Variante des Oxids, und Bauxit, das als wichtigstes Aluminiumerz gilt, vorkommt .
Hier erfährst du mehr über:
- Was die wichtigsten Eigenschaften von Aluminiumoxid sind
- Wie Aluminiumoxid hergestellt wird
- Was die wichtigsten Anwendungsgebiete von Aluminiumoxid sind
Eigenschaften von Aluminiumoxid
Aufgrund seiner hervorragenden mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschaften hebt sich Aluminiumoxid von vielen vergleichbaren Materialien ab, indem es gleiche oder bessere Lösungen für eine kostengünstige Produktion und Fertigung bietet.
Seine Leistungsfähigkeit beruht auf den folgenden Eigenschaften , , :
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Eigenschaft |
Wert |
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Schmelzpunkt |
2.072 °C (3.762 °F; 2,345 K) |
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Siedepunkt |
2,977 °C (5,391 °F; 3,250 K) |
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Härte |
15 – 19 GPa (9 auf der Mohs-Skala) |
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Elektrischer Widerstand |
1012 – 1013 Ωm |
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Mechanische Festigkeit |
300 – 630 MPa |
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Druckfestigkeit |
2,000 – 4.000 MPa |
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Wärmeleitfähigkeit |
20 – 30 W/mK |
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Molekulare Masse |
101.96 g/mol |
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Dichte |
3.95 g/cm3 |
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Aussehen |
Feststoff |
Wie wird Aluminiumoxid hergestellt?
Aluminiumoxid wird häufig nach dem Bayer-Verfahren hergestellt, d.h. durch Raffination von Bauxit zu Tonerde. Die folgende reversible chemische Gleichung beschreibt die Grundlagen des Bayer-Prozesses:
Dieser Prozess beginnt mit dem Trocknen von zerkleinertem und gewaschenem Bauxit, das normalerweise 30-55% Al2O3 enthält. Das Bauxit wird in Natronlauge aufgelöst, um eine Aufschlämmung zu bilden, die auf Temperaturen von etwa 230-520 °F (110-270 °C) erhitzt wird. Dieses Gemisch wird dann gefiltert, um den als „Rotschlamm“ bezeichneten Rückstand zu entfernen.
Die gefilterte Aluminiumoxidlösung (Aluminiumhydroxid) wird dann in Fällungstanks geleitet oder gepumpt, wo sie abkühlt und zu keimen beginnt. Diese Keime regen einen Ausfällungsprozess an, bei dem sich feste Aluminiumhydroxidkristalle bilden. Das gesamte Aluminiumhydroxid, das sich am Boden des Tanks absetzt, wird entfernt.
Die verbleibende Natronlauge wird vom Aluminiumhydroxid abgewaschen, das verschiedene Filtrationsstufen durchläuft. Schließlich wird es erhitzt, um überschüssiges Wasser vollständig zu entfernen. Nach einer Abkühlungsphase wird das feine weiße Pulver hergestellt.
Der Bayer-Prozess ist in Abbildung 1 zusammengefasst, die alle Stufen und die Vorgänge während jeder Stufe zeigt.
Abbildung 1: Bayer-Prozess in seiner modernen Form (2017), da die Schritte zur Entfernung von Siliziumdioxid und Oxalat dem ursprünglichen Bayer-Prozess von 1892 hinzugefügt wurden. Reproduziert aus Abbildung 3.1 (S.51) von ref. 1.
Anwendungen von Aluminiumoxid
Der größte Teil des produzierten Aluminiumoxids wird zur Herstellung von Aluminiummetall verwendet. Sauerstoff katalysiert normalerweise die Korrosion in Reaktion mit dem Metall Aluminium. Wenn er sich jedoch mit Sauerstoff zu Aluminiumoxid verbindet, bildet sich eine Schutzschicht, die eine weitere Oxidation verhindert.
Industrien, die Aluminiumoxid verwenden, sind unter anderem:
Medizinische Industrie
Aufgrund seiner Härte, Bioinertheit und chemischen Eigenschaften ist Aluminiumoxid ein bevorzugtes Material für Lager in Hüftprothesen, Prothesen, bionische Implantate, Augenprothesen, Gewebeverstärkungen, Zahnkronen, Pfeiler, Brücken und andere Zahnimplantate. Es wird auch in Laborausrüstungen und -werkzeugen wie Tiegeln, Öfen und anderen Laborgeräten verwendet.
Militär- und Schutzausrüstung
Die Festigkeit und das geringe Gewicht von Aluminiumoxid tragen zur Verbesserung von Körperpanzern, wie Brustpanzern, sowie Fahrzeug- und Flugzeugpanzern bei, die den größten Markt darstellen. Aluminiumoxid wird auch in kugelsicheren Fenstern aus synthetischem Saphir und in der Ballistik verwendet.
Elektro- und Elektronikindustrie
Seine hohen Schmelz- und Siedepunkte sowie seine ausgezeichneten thermischen Widerstandseigenschaften machen Aluminiumoxid für die Herstellung von Hochtemperatur-Ofenisolierungen und elektrischen Isolatoren wünschenswert. Aluminiumoxidfilme sind auch wichtige Bestandteile in der Mikrochip-Industrie. Zu den weiteren Verwendungszwecken gehören Zündkerzenisolatoren, mikroelektrische Substrate und isolierende Kühlkörper.
Edelsteinindustrie
Aluminiumoxid ist ein wertvolles Element für die Herstellung von Rubinen und Saphiren. Seine kristalline Form, der Korund, ist das Basiselement für diese kostbaren Edelsteine. Rubine verdanken ihre tiefrote Farbe Chromverunreinigungen, während Saphire ihre unterschiedlichen Farben durch Spuren von Eisen und Titan erhalten.
Industrielle Anwendungen
Da Aluminiumoxid chemisch inert ist, wird es als Füllstoff in Kunststoffen, Ziegeln und anderen schweren Tonwaren wie Öfen verwendet. Aufgrund seiner extremen Festigkeit und Härte wird es häufig als Schleifmittel für Sandpapier verwendet. Es ist auch ein wirtschaftlicher Ersatz für Industriediamanten .
Aluminiumoxide werden auch für die Herstellung von Rohrleitungskomponenten wie Krümmern, T-Stücken, geraden Rohren, Hydrozyklonen, Reduzierstücken, Düsen und Ventilen verwendet. Weitere Anwendungen sind die Herstellung verschiedener Zerspanungswerkzeuge, Schneidewerkzeuge, Thermoelementummantelungen, verschleißfester Pumpenlaufräder und Prallplatten.
