Alumiinioksidi, joka tunnetaan yleisesti nimellä alumiinioksidi (Al2O3), on inertti, hajuton, valkoinen amorfinen materiaali, jota käytetään usein teollisessa keramiikassa. Erinomaisten ominaisuuksiensa ansiosta alumiinioksidi on vaikuttanut merkittävään määrään elämää pidentäviä ja yhteiskuntaa parantavia sovelluksia. Sitä käytetään laajalti lääketieteen alalla ja nykyaikaisessa sodankäynnissä.
Alumiinioksidi on termisesti epävakaa ja liukenematon yhdiste, jota esiintyy luonnossa erilaisissa mineraaleissa, kuten korundissa, joka on oksidin kiteinen muunnos, ja bauksiitissa, jota pidetään sen pääasiallisena alumiinimalmina .
Tässä opit seuraavaa:
- Mitkä ovat alumiinioksidin tärkeimmät ominaisuudet
- Miten alumiinioksidia valmistetaan
- Mitkä ovat alumiinioksidia hyödyntävät tärkeimmät käyttökohteet
Alumiinioksidin ominaisuudet
Johtuen siitä, että alumiinioksidilla on erinomaiset mekaaniset , kemiallisten ja termisten ominaisuuksiensa ansiosta alumiinioksidi erottuu monista vastaavista materiaaleista tarjoamalla yhtä hyviä tai parempia ratkaisuja edulliseen tuotantoon ja valmistukseen.
Sen suorituskyky perustuu seuraaviin ominaisuuksiin , , :
|
Ominaisuus |
Arvo |
|
Sulamispiste |
2 072 °C (3 762 °F; 2,345 K) |
|
Kiehumispiste |
2,977 °C (5,391 °F; 3,250 K) |
|
Kovuus |
15 – 19 GPa (9 Mohsin asteikolla) |
|
Ominaisresistanssi |
1012 – 1013 Ωm |
|
Mekaaninen lujuus |
300 – 630 MPa |
|
puristuslujuus |
2,000 – 4 000 MPa |
|
Lämmönjohtavuus |
20 – 30 W/mK |
|
Molekyylimassa |
101.96 g/mol |
|
Tiheys |
3.95 g/cm3 |
|
Eritys |
Kiinteä |
Miten alumiinioksidia valmistetaan?
Alumiinioksidia valmistetaan usein Bayer-prosessilla, joka tarkoittaa bauksiitin jalostamista alumiinioksidin tuottamiseksi. Seuraava palautuva kemiallinen yhtälö kuvaa Bayerin prosessin perusteita:
Prosessi alkaa kuivaamalla murskattua ja pestyä bauksiittia, joka sisältää yleensä 30-55 % Al2O3 . Bauksiitti liuotetaan natriumhydroksidiin lietteeksi, joka kuumennetaan noin 230-520 °F (110-270 °C) lämpötilaan. Tämän jälkeen seos suodatetaan ”punalietteeksi” kutsutun jäännöksen poistamiseksi.
Suodatettu alumiinioksidiliuos (alumiinihydroksidi) siirretään tai pumpataan sitten saostussäiliöihin, joissa se jäähtyy ja alkaa siementää. Nämä siemenet stimuloivat saostusprosessia, joka mahdollistaa kiinteiden alumiinihydroksidikiteiden muodostumisen. Kaikki säiliön pohjalle laskeutunut alumiinihydroksidi poistetaan.
Jäljelle jäävä kaustinen sooda pestään pois alumiinihydroksidista, joka käy läpi eritasoisia suodatuksia. Lopuksi se kuumennetaan ylimääräisen veden poistamiseksi kokonaan. Jäähdytysvaiheen läpikäymisen jälkeen syntyy hienojakoista valkoista jauhetta .
Bayerin prosessi on esitetty tiivistetysti kuvassa 1, jossa näkyvät kaikki vaiheet ja se, mitä kussakin vaiheessa tapahtuu.
Kuva 1: Bayerin prosessi nykyaikaisessa muodossaan (2017), kun alkuperäiseen Bayerin prosessiin vuodelta 1892 on lisätty piidioksidin ja oksalaatin poistovaiheet. Jäljennetty kuvasta 3.1 (s. 51) lähteestä ref. 1.
Alumiinioksidin käyttökohteet
Suurin osa tuotetusta alumiinioksidista käytetään alumiinimetallin valmistukseen. Happi katalysoi tyypillisesti korroosiota reagoidessaan alumiinimetallin kanssa. Kun se kuitenkin sitoutuu hapen kanssa alumiinioksidiksi, muodostuu suojakerros, joka estää hapettumisen jatkumisen. Tämä lisää lujuutta ja tekee materiaalista vähemmän alttiin rappeutumiselle.
Alumiinioksidia käyttäviä teollisuudenaloja ovat muun muassa:
Lääketieteellinen teollisuus
Alumiinioksidin kovuuden, biologisen inerttiyden ja kemiallisten ominaisuuksien vuoksi sitä käytetään mieluiten lonkkaproteesien laakereina, proteeseina, bionisina implantteina, silmäproteeseina, silmän proteesien korvikkeina, kudosvahvistuksina, hammaslääketieteellisinä kruunuina, tukipilareina, siltoina ja muina hammaslääketieteellisinä implantteina. Sitä käytetään myös laboratoriolaitteissa ja -työkaluissa, kuten upokkaissa, uuneissa ja muissa laboratoriotarvikkeissa.
Sotilas- ja suojavarusteet
Alumiinioksidin lujuus ja keveys parantavat osaltaan vartalopanssareita, kuten rintapanssareita, sekä ajoneuvojen ja lentokoneiden panssareita, jotka ovat sen suurimmat markkinat. Alumiinioksidia käytetään myös synteettisestä safiirista valmistetuissa luodinkestävissä ikkunoissa ja ballistisissa .
Sähkö- ja elektroniikkateollisuus
Sen korkeat sulamis- ja kiehumispisteet sekä erinomaiset lämmönkestävyysominaisuudet tekevät alumiinioksidista suotavaa korkean lämpötilan uunieristeiden ja sähköeristeiden valmistuksessa. Alumiinikalvot ovat myös elintärkeitä komponentteja mikrosiruteollisuudessa. Joitakin muita käyttötarkoituksia ovat muun muassa sytytystulppien eristimet, mikrosähköiset alustat ja eristävät jäähdytyslevyt.
jalokiviteollisuus
Alumiinioksidi on arvokas elementti rubiinien ja safiirien muodostamisessa. Sen kiteinen muoto, korundi, on näiden jalokivien perusaine. Rubiinit saavat syvän punaisen värinsä kromin epäpuhtauksista, kun taas safiirit saavat vaihtelevan värinsä rauta- ja titaanijäämistä.
Teolliset sovellukset
Koska alumiinioksidi on kemiallisesti inerttiä, sitä hyödynnetään täyteaineena muoveissa, tiilissä ja muissa raskaissa savitavaroissa, kuten uuneissa. Äärimmäisen lujuutensa ja kovuutensa vuoksi sitä käytetään usein hiomapaperin hioma-aineena. Se on myös taloudellinen korvike teollisuustimantille.
Alumiinioksideja käytetään myös putkistokomponenttien, kuten kulmakappaleiden, teesien, suorien putkien, hydrosyklonien, pelkistimien, suuttimien ja venttiilien valmistukseen. Muita käyttökohteita ovat erilaisten koneistustyökalujen, leikkuutyökalujen, lämpöparien vaippojen, kulutusta kestävien pumppujen juoksupyörien ja ohjauslevyjen valmistus.
