آلومینا پرکاربردترین ماده سرامیکی اکسیدی است. کاربردهای گسترده آن شامل شمع خودرو، واشر شیر آب، کاشی‌های مقاوم در برابر سایش و ابزار های برش است. در مقادیر بسیار بالا نیز در ساخت نسوزهای یکپارچه استفاده می‌شود. همچنین با سایر مواد مانند گرافیت پولکی مخلوط می‌شود،
خصوصیات کلیدی آلومینا
- مقاومت فشاری بالا
- سختی بالا
- مقاوم در برابر سایش
- مقاوم در برابر محیط های شیمیایی توسط رنج زیادی از مواد شیمیایی حتی در دماهای بالا
- ضریب هدایت حرارتی بالا
- مقاوم در برابر شوک حرارتی
- نسوز بودن
- ضریب دی‌الکتریک بالا
- مقاومت الکتریکی بالا حتی در دمای بالا
- در دسترس بودن
تولید سالیانه آلومینا
تولید سالیانه اکسید آلومینیوم 45 میلیون تن است. 90 درصد آن در ساخت فلز آلومینیوم توسط الکترولیز استفاده می‌شود.
بیشتر آلومینیوم اکسید تولید شده معمولا از کلسینه کردن آلومینیوم هیدروکسید (آلومینا تری هیدرات یا ATH ) است. تقریبا، تمام آلومینیوم هیدروکسید به وسیله فرآیند بایر ساخته شده است. این شامل خیساندن بوکسیت (هیدروکسید آلومینیوم لاتریتی که عمدتا از هیدروکسید آلومینیوم خالص باشد و کانی سنگ اصلی آن آلومینیوم است) در سود سوز آور(هیدراکسید سدیم) و رسوب بعدی آلومینیوم هیدروکسید با افزدون بلورهای دانه ریز هیدروکسید آلومینیوم است.
فازهای مختلف آلومینا
اکسید آلومینیوم به اشکال مختلف α, χ, η, δ, κ, θ, γ, ρ وجود دارد. اینها در طی عملیات حرارتی هیدروکسید آلومینیوم یا هیدروکسید اکسی آلومینیوم به وجود آمده‌اند. پایدارترین حالت آن از لحاظ ترمودینامیکی α-آلومینا است.
آلومینیوم هیدروکسید
آلومینیوم طیف وسیعی از هیدروکسیدها را تشکیل می‌دهد. ترکیبات بلوری بعضی از آنها به خوبی مشخص شده‌اند، در حالی که برخی ترکیبات آمورف نامشخصی دارند. رایج ترین تری هیدروکسیدها گیبسیت ، بایریت ، و رایج ترین فرم‌های هیدروکسید اکسید بوهمیت و دیاسپور هستند. از نظر تجاری مهم‌ترین فرم گیبسیت است اگرچه بایریت و بوهمیت در مقیاس صنعتی تولید می‌شوند.
هیدروکسید آلومینیوم طیف گسترده‌ای از کاربردها را دارد، به عنوان مثال تاخیراندازهای شعله در پلاستیک‌ها و لاستیک‌ها، پرکننده خمیر دندان، آنتی اسید‌ها، پوشش تیتانا و به عنوان ماده اولیه برای تولید مواد شیمیایی آلومینیومی از قبیل سولفات آلومینیوم، کلریدهای آلومینیوم، پلی آلومنیوم کلرید، نیترات آلومینیوم.
گریدهای تجاری آلومینا
آلومینا گرید ذوب
از گرید ذوب یا متالورژی برای ساخت فلز آلومینیوم استفاده می‌شود. از لحاظ تاریخی، آن از هیدروکسید آلومینیوم با استفاده از کوره‌های دوار تولید می‌شد اما امروزه عموما در دستگاه‌هایfluid bed یا fluid flash claciners تولید می‌شود. در فرآیندهای fluid flash آلومینیوم هیدروکسید، داخل یک جریان ناهمسو هوای گرم که از سوختن گاز یا مازوت حاصل شده است، خورانده می‌شود. اولین تاثیر، حذف آب آزاد است و به دنبال آن رفع آب ترکیب شیمیایی است. این پروسه در دامنه‌ای از دمای بین 180-600°C رخ می‌دهد. اکسید آلومینیومی که آب آن خشک شده باشد به صورت آلومینای فعال شده است و با افزایش دما به 1000°C ، سطح آن به تدریج کاهش می‌یابد. در دمای بیشتر از 1000°C فرم پایدار α ، بیشتری به وجود می‌آید. معمولا 25 درصد از ماده را می‌توان به فرم پایدار α تبدیل نمود.
آلومینای کلسینه شده
اگر هیدروکسید آلومینیوم تا دمای بیش از 1100 درجه سانتی گراد گرم شود، پس از آن از مراحل ذکر شده در بالا عبور می‌کند. محصول نهایی، در صورتی که از درجه حرارت بالا استفاده شود، آلفا آلومینا است. تولید به صورت تجاری در کوره‌های دوار بزرگ انجام می‌شود. غالبا از مواد معدنی به عنوان کاتالیزگر واکنش به جهته پایین آوردن دمایی که فاز آلفا آلومینا تشکیل می‌شود استفاده می‌کنند. رایج ترین مواد معدنی استفاده شده نمک‌های فلوراید است.
این محصولات کلسینه شده در طیف وسیعی از سرامیک‌های نسوز مورد استفاده قرار می‌گیرند. ناخالصی اصلی موجود اکسید سدیم است. گریدهای مختلفی تولید می‌شوند که از نظر اندازه بلور، مورفولوژی و ناخالصی‌های شیمیایی متفاوت هستند. گریدهای کلسینه شده اغلب تقسیم می‌شوند به سه گروه زیر:
- Ordinary soda
- Medium soda
- Low soda
آلومینای کم سودا (Low soda )
در بسیاری از کاربردها به ویژه کاربردهای الکترونیکی، به اکسید آلومینیوم با سودا کم نیاز دارند. یک آلومینا کم سودا عموما با محتوای سودای %0.1> از نظر وزنی تعریف می‌شود. این را می‌توان با مسیرهای متفاوتی از جمله شستشو با اسید، افزودن کلرین، افزدون بور و استفاده از ترکیبات جاذب سودا تهیه کرد.
آلومینای واکنش پذیر
آلومینا واکنش پذیر، معمولا خلوص نسبتا بالا و نمونه کریستال کوچک 1µm> دارد. این پودرها بعد از ball-milling (نوعی آسیاب کردن) فشرده که باعث جدایش دانه‌های تولید شده پس از کلسینه شدن، می‌شوند، تهیه می‌شوند. آنها در مواردی که به مقاومت استثنایی، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر دما، و صافی سطح نیاز باشد، استفاده می‌شوند.
ساختار آلومینا
ساختار اکسید آلومینیوم، متبلور یا کلوخه‌ای می‌باشد و به این علت است که مورفولوژی آن از بلورهای بزرگ 50-500µm قرص تخت که به شکل crystals of corundum درامده‌اند، تشکیل شده است. این ماده از طریق گندله سازی، اکسترود کردن، یا پرس کردن آلومینا کلسینه شده در دراخل یک قالب و سپس گرم کردن این قالب تا دمای موردنظر در زیر نقطه هم‌جوشی آنها بین 1700-1850°C در کوره‌های میله‌ای، تولید می‌شوند.
بعداز کلسینه شدن، از آلومینای کره‌ای کلوخه شده می‌توان برای برخی از کاربردها از جمله بستر کاتالیست‌ها یا می‌توان آنها را خرد کرد سپس با غربال کردن آنها طیف وسیعی از اندازه‌ها را تولید کرد. این مواد کلوخه شده دارای خاصیت با تخلخل کم، چگالی زیاد، نفوذ پذیری کم، بی اثر بودن شیمیایی و به ویژه برای کاربردهای نسوز مناسب است.
آلومینای ذوب شده
آلومینا ذوب شده با عبور جریان از بین الکترود‌های عمودی کربن در کوره‌های قوس الکتریکی ساخته می‌شود. گرمای تولید شده آلومینا را ذوب می‌کند. آلومینا ذوب شده دارای چگالی بالا، تخلخل کم، نفوذپذیری کم و نسوز است. بنابراین در ساخت سایندهها و اجسام نسوز استفاده می‌شود.
خلوص آلومینا
آلومینا با خلوص بالا به طور معمول آنهایی که دارای خلوص 99.99% هستند، گفته می‌شود و می‌توان آنها را با استفاده از فعال سازها و شستشوهای پی در پی از طریق هیدرات بایر یا از طریق کلرید تولید کرد تا به درجه خلوص لازم برسد. حتی خلوص بالاتر با کلسینه کردن سولفات آلومینیوم آمونیوم یا از فلز آلومینیوم تولید می‌شود. در مورد روش سولفات آلومینیوم آمونیوم، درجه خلوص لازم با تبلورمجدد و متوالی بدست می‌آید. به خصوص می‌توان خلوص‌های بالا را واکنش فلز آلومینیوم با الکل، تصفیه آلک اکسید آلومینیوم با تقطیر، هیدرولیز و کلسینه کردن، تهیه کرد. یک روش جزئی هم شامل قرار دادن گلوله‌های فلز آلومینیوم با خلوص بالا در آب مقطر در برابر تخلیه جرقه (spark discharge)است.
از این موارد برای ساخت سنگ‌های قیمتی مانند یاقوت و یاقوت کبود و گارنت آلومینیوم ایتریوم برای لیزر استفاده می‌شود.
