اکسید آلومینیوم (Al2O3) یک خانواده از ترکیبات غیرآلی با فرمول شیمیایی Al2O3 است. این اکسید یک اکسید آمفوتر مهم است. اکسید آلومینیوم نام های تجاری متنوعی مانند آلومینا، کوراندوم (corundum) و.... دارد. نام های تجاری متنوع اکسید آلومینیوم نشان دهنده ی گستره ی وسیع استفاده از این ماده در صنعت است. استفاده ی عمده از اکسید آلومینیوم برای تولید فلز آلومینیوم است. اگر چه این ماده همچنین به عنوان ساینده (به خاطر سختی بالا) و به عنوان یک ماده ی دیرگداز (به خاطر دمای ذوب بالا) استفاده می شود.
کوراندوم عمده ترین فرم کریستالی اکسید آلومینیوم است که در طبیعت وجود دارد. یاقوت سرخ (Ruby) و یاقوت کبود (Sapphire) سنگ های گران بهایی هستند که از کوراندوم تشکیل شده اند. علت وجود رنگ های متنوع در اینگونه آلومینا (کوراندوم) در اثر وجود ناخالصی هاست. یاقوت سرخ، رنگ قرمز خود را به دلیل وجود ناخالصی کروم بدست آورده است. یاقوت کبود به رنگ های مختلفی در می آید. که این تنوع رنگ به خاطر ناخالصی های مختلف مانند آهن و تیتانیم بوجود می آید.
خواص
اکسید آلومینیوم یک عایق الکتریکی است. اما دارای رسانایی گرمایی به نسبت بالا (30wm-1k-1) است. البته این رسانایی گرمایی با دما تغییر می کند و عدد گزارش شده به طور میانگین بیان شده است. همچنین رسانایی گرمایی آلومینا در بین سرامیک ها بالاست. به دلیل بالا بودن نقطه ی ذوب آلومینا این ماده مقاومت و ثبات حرارتی بالایی دارد.
سختی بالای کوراندوم (فراوان ترین فرم کریستالی موجود از آن) که به آن α- آلومینا گفته می شود، باعث شده تا از این ماده به عنوان یک جزء مناسب برای کاربردهای ساینده (abrasive) و ابزار برش (cutting tools) باشد.
بوجود آمدن اکسید آلومینیوم بر روی سطح فلز آلومینیوم عامل حفاظتی در برابر هوازدگی (weathering) است. آلومینیوم فلزی یک ماده ی بسیار واکنش پذیر با اکسیژن اتمسفر است. و یک لایه ی محافظت کننده از آلومینا (به ضخامت 4 نانومتر) در مدت 100 پیکوثانیه بر روی بخش های در معرض هوا ایجاد می گردد. این لایه ی اکسیدی از اکسید شدن تمام آلومینیوم جلوگیری می کند. ضخامت و خواص این لایه ی اکسیدی را می توان بوسیله ی فرآیند آنودایزینگ (anodizing) تغییر داد. برخی از آلیاژها مانند برنزهای آلومینیومی از ویژگی آنودایزینگ استفاده می کنند تا خاصیت مقاومت به خوردگی آنها بهبود یابد. آلومینای بوجود آمده بوسیله ی فرآیند آنودایزینگ حالت آمورف دارد اما می توان بوسیله ی فرایندهایی مانند اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما (Plasma electrolytic oxidation)، لایه ی کریستالی از آلومینا بوجود آورد و سختی آلومینا را بالا برد.
آلومینا استحکام دی الکتریک خوبی دارد. این ماده الکترولیت جامد نیست و از این رو مانند اکسید زیرکونیوم (zro2) عمل نمی کند و خواص دی الکتریک آن به فشار اکسیژن بستگی ندارد.
سختی آلومینا در مقیاس موس 9 است. در این طبقه بندی پس از الماس، آلومینا در رتبه ی دوم قرار دارد.
ساختار
عمده ترین فرم کریستالی آلومینا، کوراندوم است. یون های اکسیژن و آلومینیوم در ساختار کوراندوم به صورت هگزاگونال متراکم (HCP) درآمده اند. در واقع یون های اکسیژن د رحال هگزاگونال متراکم (HCP) هستند و یون های Al3+ دو سوم فضاهای خالی 8 وجهی را اشغال کرده اند. هر مرکز Al3+ به صورت یک 8 وجهی است که از لحاظ کریستالوگرافی، کوراندوم با توجه به یون های Al3+ دارای شبکه ی تریگونال است. در واقع هر سلول واحد HCP، از 2 واحد فرمولی اکسید آلومینیوم تشکیل شده است.
آلومینا همچنین به صورت فازهای دیگر وجود دارد. این فازها را براساس حروف یونانی نامگذاری می کنند. این فازها عبارتند از: θ, δ,ð, χ, η هر کدام از این فازها دارای ساختار کریستالی و ویژگی خاص خود است. البته تمام این فازها، فازهایی میانی و غیرپایدار هستند. پس از حرارت دهی آلومینا و تشکیل این فازها در نهایت فاز α تشکیل می شود.
فاز ð می تواند مقداری در آب حل شود. که حلالیت این فاز نشان دهنده ی نامناسب بودن آن در کاربرد است.
همچنین می توان از ناپایداری برخی از فازهای آلومینا استفاده کرد و از فعالیت های شیمیایی آنها در کاربردهای خاص بهره برد. مثلا می توان از آنها به عنوان پایه کاتالیست و یا حتی کاتالیزور استفاده کرد.
تولید
کانی های هیدروکسید آلومینیوم جزء عمده ی بوکسیت است. بوکسیت فراوان ترین سنگ معدن آلومیناست. مخلوطی از کانی های مختلف در سنگ بوکسیت وجود دارند. این کانی ها عبارتند از:
1)گیبسیت (Al(OH)3)
2)بوهمیت (ð -Alo(OH))
3)دیاسپور (α-Alo(OH))
4)هیدروکسید و اکسید آهن
5)کوارتز
6)کانی های رسی
بوکسیت در خاک های سرخ (Laterites) وجود دارد. بوکسیت بوسیله ی فرآیند بایر خالص سازی می شود.
روش بایر برای تولید پودر آلومینا
ماده ی اولیه ی مورد استفاده در روش بایر بوکسیت است. این بوکسیت باید خلوصی بیش از 55 درصد داشته باشد تا فرآیند بایر صرفه ی اقتصادی داشته باشد. ماده ی اولیه ی بدست آمده از معدن (بوکسیت) خردایش شده و در مخازن بزرگ و سربسته ی آب در سود حل می گردد. با حل شدن بوکسیت در آب و بوسیله ی سودسوزآور، در محلول آلومینات سدیم به صورت محلول در آب تشکیل می شود. در مرحله ی بعد ناخالصی های نامحلول مانند آهن، سیلیس وتیتان بوسیله ی فیلتراسیون جدا می گردند. این ناخالصی ها به لجن قرمز (redmad) معروفند. در مرحله ی بعد برای عکس کردن واکنس انحلال هیدروکسید، گاز دی اکسید کربن به داخل محلول دمیده می شود. و رسوب Al(OH)3 تشکیل می شود. رسوب حاصله جداسازی، خشک و کلسیناسیون می شود. آلومینای حاصله خردایش و دانه بندی می گردد.
به آلومینای بدست آمده از روش بایر، آلومینای کلسینه شده می گویند. عمل کلسیناسیون در روش بایر در کوره ی دوار صورت می پذیرد. در ابتدای کوره دما پایین است و عمل خشک شدن انجام می شود. و در ادامه عمل تجزیه صورت می پذیرد. ترکیباتی همچون کلرین ها، فلرین ها، بور می توانند دمای تجزیه ی هیدروکسید را کاهش دهند. همچنین این عوامل، عامل جوانه زا برای تشکیل α- آلومینا هستند. وعلاوه بر دمای تجزیه ی هیدروکسید، بر روی شکل ذرات نهایی اثرگذار هستند. هر چه دمای کوره (دمای تجزیه) بالاتر رود، تبدیل می تواند کامل تر صورت گیرد. در دمای 1400 درجه سانتیگراد در حدود 99-90درصد از هیدروکسید به α-آلومینا تبدیل می شود و علاوه بر α آلومینا فاز میانی ð نیز وجود دارد. از این رو برحسب دمای کوره و افزودنی های مختلف، درصد α-آلومینا متفاوت است. در روش بایر حتی می توان آلومینایی با خلوص 99.99 درصد تولید نمود.
مشکلات روش بایر
1)هزینه ی بالای روش بایر
2)روش بایر به مخازن بزرگ آب نیازمند است.
3)مصرف آب در روش بایر بالاست.
4)روش بایر انرژی بر است، (برای گرم کردن مخازن آب نیاز به انرژی زیادی داریم).
5)ضایعات، و باطله های روش بایر زیاد است.
6)ورود ناخالصی هایی همچون اکسید سدیم موجب تخریب خواص الکتریکی آلومینا شده و ما را مجبور می کند تا با اعمال فرآیندهای جانبی درصد این گونه ناخالصی ها را کاهش دهیم.
در کاربردهای الکتریکی میزان یون سدیم بسیار مهم است. یون سدیم وارد ساختار آلومینا می شود و به صورت فاز θ درمی آید. این فاز محلولی جامد از اکسید سدیم و آلومیناست که باعث تغییر خواص الکتریکی آلومینا می شود و آلومینا را به یک الکترولیت جامد تبدیل می کند. الکترولیت های جامد با افزایش دما خاصیت رسانایی پیدا می کنند. اکسید سدیم همچنین بر روی نقطه ی ذوب آلومینا تأثیر گذاشته و آن را پایین می آورد. پایین آمدن دمای ذوب آلومینا موجب این مسئله می شود که در دماهای نسبتا پایین بخش هایی از آلومینا ذوب گشته و پس از سردشدن تشکیل فاز شیشه ای می دهد. وجود فاز شیشه ای در برخی بدنه ها مانند بدنه های دیرگداز مضر بوده و باعث کاهش استحکام آنها می شود. پس توجه به خلوص آلومینا در برخی صنایع مانند صنعت دیرگداز و الکترونیک و... ضروری به نظر می رسد.
ویژگی های کلیدی آلومینا
ویژگی هایی که آلومینا دارد و باعث شده است تا بتوان از آن در کاربردهای بسیار استفاده بشود عبارتند از:
1)استحکام فشاری بالا
2)سختی بالا
3)مقاومت به سایش بالا
4)مقاومت در برابر حملات شیمیایی بوسیله ی گستره ی وسیعی از مواد شیمیایی حتی در دماهای بالا
5)رسانایی گرمایی بالا
6)مقاومت در برابر شک حرارتی
7)دیرگدازی بالا
8)مقاومت دی الکتریک بالا
9)مقاومت الکتریکی بالا حتی در دماهای بالا
10)شفافیت در برابر فرکانس های اشعه ی میکروویو
11)ماده ی اولیه ی آن بسهولت قابل دسترسی است و قیمت آن دارای نوسان شدید نیست.
هیدروکسیدهای آلومینیوم
آلومینیوم گستره ی وسیعی از هیدروکسیدها را تولید می کند. برخی از این هیدروکسیدها، ترکیباتی کریستالی و با خصوصیات شناخته شده اند. در حالی که برخی دیگر از آنها ترکیباتی آمورف و ناشناخته اند.
عمومی ترین تری هیدرات های آلومینیوم گیبسیت (gibbsite)، بایریت (bayerite) و نوردستراندیت (nordstrandite) هستند. این در حالی است که اکسید متداولتر آلومینیوم (هیدروکسید آن) بوهمیت (boehmite) و دیاسپور (diaspore) هستند.
از لحاظ تجاری مهمترین شکل هیدروکسیدهای آلومینیوم، گیبسیت است اگر چه بایریت و بوهمیت نیز در مقیاس صنعتی تولید می شوند. هیدروکسیدهای آلومینیوم دارای گستره ی کاربرد فراوانی است مثلا از آنها به عنوان افزودنی های ضد شعله در پلاستیک ها و رابرها، پرکننده های کاغذ و درزگیرها، فیلر خمیر دندان، ضد اسید، پوشش های تیتانیا و به عنوان ماده ی اولیه جهت تولید محصولات شیمیایی آلومینوم دار مانند سولفات آلومینیوم، کلریدهای الومینیوم، پلی آلومینیوم کلراید، و آلومینیوم نیترات کاربرد دارد.
گریدهای تجاری آلومینا
از لحاظ تجاری گریدهای مختلفی از آلومینا وجود دار که هر تولید کننده ی شاغل در بخش سرامیک با توجه به نیازهایی که از آلومینا دارد، یکی یا چند گرید آن را استفاد می کند. در ادامه به معرفی کاملی از گریدهای مختلف آلومینا می پردازیم.
آلومینای گرید اسملتر (Smelter grade alumina)
گرید اسملتر یا گرید متالورژیکی آلومینا نامی است که به آلومینای مصرفی در تولید فلز آلومینیوم داده شده است. از لحاظ تاریخی این نوع آلومینا از هیدروکسید آلومینیوم و با استفاده از کوره های دوار تولید می شده است. اما امروزه عموما بوسیله ی کلساینرهای فلوید فلش (Fluid flash calciner) یا بستر مایع (Fluid bed) تولید می شوند. در فرآیندهای فلوید فلش آلومینیوم هیدروکسید به داخل یک جریان متقابل از هوای داغ تغذیه می شود. (این هوای داغ از سوختن نفت یا گاز به دست می آید). اولین اثری که اتفاق می افتد این است که آب آزاد ماده خارج می گردد و سپس آب ساختاری که به صورت شیمیایی در ترکیب وجود دارد، از دست می رود. این فرآیندها در گستره ی دمایی بین 180 تا 600 درجه سانتیگراد رخ می دهد. آلومینای بدون آب (dehydrated alumina) اساسا به فرم آلومینای اکتیو است و مساحت سطح آن بتدریج با افزایش دما به سمت 1000 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. کلسیناسیون اضافی در دماهای بالاتر از 100 درجه باعث می شود تا آلومینای α تشکیل شود که از لحاظ پایداری، پایدارترین شکل آلومیناست.
به طور نمونه وار تبدیل به فرم آلومینای α می تواند در حدود 25% باشد و مساحت سطح ویژه ی آن نسبتا بالا (بالاتر از 50 متر مربع بر گرم) است. که علت این مسئله تغییرات فازی آلومیناست.
آلومینای کلسینه شده (Calcined alumina)
اگر آلومینیوم هیدروکسید در دمای بالاتر از 1100 درجه سانتیگراد حرارت داده شود و سپس تغییرات فازی آلومینا که در بالا اشاره شد، انجام شود، محصولی باقی می ماند که از آلومینای α تشکیل شده است. (البته این در شرایطی اتفاق می افتد که دما به حد کافی بالا باشد. به صورت تجاری فرآیند گفته شده در کوره های دوار اتفاق می افتد. مینرالایزرها خیلی اوقات با افزودن کاتالیزور دمای واکنش را کاهش می دهند. نمک های فلئور عمده ترین نمکی است که برای کاهش دمای تشکیل آلومینای α استفاده می شود.
آلومینای کلسینه شده در گستره ی وسیعی از کاربردهای دیرگداز و محصولات سرامیکی استفاده می شود. ناخالصی اصلی موجود در این نوع آلومینا، اکسید سدیم است. گریدهای متنوعی از این نوع آلومینا تولید می شود که از لحاظ اندازه ی کریستال ها، مورفولوژی و ناخالصی های شیمیایی متفاوت اند.
گریدهای آلومینای کلسینه شده عمدتا براساس میزان اکسید سدیم به سه گروه: دارای اکسید سدیم معمولی، دارای اکسید سدیم متوسط (میزان اکسید سدیم 0.15-0.25 درصد وزنی است) و دارای اکسید سدیم کم تقسیم بندی می شوند.
آلومینای با اکسید سدیم کم (low soda alumina)
در بسیاری از کاربردها مخصوصا کاربردهای الکتریکی و الکترونیکی نیاز است تا میزان اکسید سدیم موجود در آلومینا بسیار کم باشد. یک آلومینای با اکسید سدیم کم عموما آلومینایی است که درصد اکسید سدیم آن زیر 0.1% وزنی باشد. این نوع آلومینا را می توان به روش های مختلفی مانند شستشو با اسید، افزودن کلر (chlorine addition)، افزودن بور (boron addition) و استفاده از ترکیبات جاذب سدیم، تولید کرد.
آلومینای راکتیو (reactive alumina)
«آلومینای راکتیو» واژه ای است که معمولا به آلومینای با خلوص نسبتا بالا و اندازه ی کریستالی کوچک (1mm>) اتلاق می شود. این آلومینا پس از زنیتر شدن بدنه ای با دانسیته ی بالا و در دمای پایین تشکیل می دهد.
بنابر یک تعریف دیگر آلومینای راکتیو آلومینایی است که بتواند بدنه ای را تشکیل بدهد که دانسیته ی پس از پخت آن بالا و در دمای پخت نسبتا پایین (حدود 1550-1650 درجه سانتیگراد) داشته باشد.
این بدنه ها معمولا 99.5% آلومینا دارند. این نوع آلومینا معمولا پس از پروسه ی خردایش و آسیاب کردن آلومینای کلسینه شده بدست می آید. البته کلسیناسیون این نوع آلومینا در دماهای بالاتر (1600درجه سانتیگراد و یا بالاتر) اتفاق می افتد. که در این حالت دانه ها به طور کامل به فاز α تبدیل می شوند. ضمنا درصد اکسیدسدیم موجود در این نوع آلومینا به دقت کنترل می شود و سعی می شود تا حد ممکن کم باشد.
این نوع آلومینا در جاهایی استفاده می شود که ما نیازمند: استحکام استثنایی، مقاومت به سایش، مقاومت دمایی، سطح پایانی و پایداری شیمیایی هستیم. در واقع در جاهایی که رفتار مکانیکی بدنه ی تولیدی در دمای بالا برای ما اهمیت دارد از این نوع آلومینا استفاده می کنیم. آلومینای راکتیو به خاطر ناخالصی کمتر دارای رفتار زنیترینگ مشخصی است و به خاطر کم بودن فاز شیشه ای در بدنه های استفاده کننده از آلومینای راکتیو، خزش و دفورمگی در دماهای بالا کمتر اتفاق می افتد.
علاوه بر این از این نوع آلومینا در کامپوزیت ها و دیرگدازها و... استفاده می شود.
آلومینای تابولار (Tabular alumina)
آلومینای تابولار، آلومینای α است که زنتیر شده یا تبلور مجدد یافته است. و به خاطر این تابولار نامیده می شود که مرفولوژی آن شامل کریستال های بزرگ (50-500mm)، پهن و ورقه ای شکل از کوراندوم است. این نوع آلومینا بوسیله ی رسوب دادن، اکسترود کردن و یا پرس کردن آلومینای کلسینه شده و سپس حرارت دادن اشکال بدست آمده در دمای زیر نقطه ی ذوب (1850-1700 درجه سانتیگراد) آلومینا در کوره ای محوری (Shaft kilns) تولید می شود.
پس از کلسیناسیون، اشکال کروی از آلومینای زنیتر شده را می توان در برخی کاربردها مانند بستر کاتالیزوری استفاده نمود و یا این اشکال کروی را خردایش و دانه بندی کرد. به خاطر اینکه این مواد زنیتر می شوند، در نتیجه تخلخل آنها پایین است. همچنین این نوع آلومینا داری پایداری شیمیایی خوب، دیرگدازی بالا است. با توجه به ویژگی های آن از آن در تولید انواع دیرگداز استفاده می شود. در واقع مهمترین کاربرد این نوع آلومینا در ساخت دیرگدازهای ریختنی و شکل دار است.
ذرات تابولار معمولا به صورت ذرات کشیده و دارای گوشه های تیز است. این مسأله به خاطر رشد هگزاگونال آلومیناست که باعث می شود ذرات تابولار به جای کروی بودن، سوزنی شکل بشوند.
تخلخل ذرات تابولار نزدیک به صفر است. این نوع آلومینا به افزایش استحکام بدنه کمک می کند. دلیل دیگر استفاده از این نوع آلومینا اندازه های مختلف ذرات آن است. در واقع از آلومینای تابولار مش بندی های متنوع وجود دارد. و این مسأله یکی از ویژ گی های این نوع آلومینا است.
علاوه بر کاربردهای بیان شده از آلومینای تابولار برای ساخت کامپوزیت های کربن –آلومینا استفاده می شود. این نوع کامپوزیت ها در ساخت دریچه های کشوئی تخلیه ی تاندیش کاربرد دارند.
آلومینای فیوزد (Fused alumina)
فیوزد آلومینا در کوره ی قوس الکتریکی تولید می شود. نحوه ی کار این کوره بدین صورت است که جریان بزرگی از الکتریسیته از میان الکترودهای کربنی آن عبور می کند. گرمای تولیدی در این پروسه، سبب ذوب شدن آلومینا می گردد. این نوع کوره دارای پوسته ی فولادی آبگرد است و در هر دفعه می تواند 20-3 تن ماده را در خود جای دهد. آلومینای فیوزد دارای دانسیته ی بالا، تخلخل پایین، نفوذپذیری پایین و دیرگدازی بالاست. به خاطر این خواص از این نوع آلومینا در تولید ساینده ها و دیرگدازها استفاده می شود.
آلومینای حباب دار (bubble alumina)
این نوع آلومینا دارای تخلخل زیادی است. تخلخل های این نوع آلومینا به سطح دانه ها راه ندارد. این نوع آلومینا دارای دانسیته ی پایینی است و به خاطر خاصیت سبکی و عایق بودن در ساخت بدنه های عایق مانند جرم های ریختنی عایق استفاده می شوند.
این نوع آلومینا بوسیله ی دمش هوا به داخل کوره ی قوس الکتریکی تولید می شود.
آلومینای اکتیو (active alumina)
آلومینای کلسینه شده در دمای پایین را آلومینای اکتیو می گویند. به خاطر دمای پایین کلسیناسیون درصد فازهای غیر α در آن زیاد است. به خاطر بالا بودن فعالیت شیمیایی فازهای غیر α در آلومینا، این نوع آلومینا فعالیت شیمیایی بالایی دارد و از این رو از آن در ساخت کاتالیزورها و پایه کاتالیزور استفاده می شود.
آلومینای با خلوص بالا (high purity alumina)
آلومینای با خلوص بالا عموما آن نوع آلومینایی است که خلوص آن بیش از 99.99% وزنی باشد. این نوع آلومینا را می توان بدین صورت تولید کرد که آلومینیوم هیدراته ی تولیدی در فرآیند بایر به صورت پی در پی خالص سازی و شستشو می کنیم و یا آن را در یک محیط کلردار قرار می دهیم تا به درجه ی خلوص مورد نیاز برسیم.
آلومینای با خلوص بیشتر نیز بوسیله ی کلسیناسیون آمونیوم آلومینیوم سولفات یا از آلومینیوم فلزی تولید می شود. در مورد روش کلسیناسیون آمونیوم آلومینیوم سولفات، درجه ی خلوص مورد نیاز بوسیله ی تبلور مجدد (پی در پی) به دست می آید.
آلومینای با خلوص ویژه را می توان از آلومینیوم فلزی تولید کرد. در این روش آلومینیوم با الکل واکنش می دهد سپس آلومینیوم آلکوکسید تولیدی بوسیله ی تقطیر، هیدرولیز و کلسیناسیون خالص سازی می شود. یک راه ساده تر برای تولید این است که گلوله های آلومینیومی با خلوص بالا را در زیر آب مقطر در معرض تخلیه ی الکتریکی قرار داده تا آلومینای با خلوص بالا تولید شود.
کاربرد این نوع آلومینا در تولید سنگ های زینتی مانند یاقوت سرخ و گارنت آلومینیوم – ایتریا برای لیزرها و یاقوت کبود برای کاربردهای لیزری و پنجره های ویژه است
آلومینا در زمینه های مختلف صنعتی کاربرد دارد. در ادامه اشاره ای به برخی از کاربردهای آن در صنعت داریم:
1) دیرگدازها
صنعت دیرگداز وظیفه ی ساخت قطعات یا مواد دیرگداز مصرفی در سایر صنایع را بر عهده دارد. معمولاً کاربرد دیرگدازها از دمای بالاتر از 400-500 مطرح هستند. و از این دما به بالا کم کم شرایط سخت می شود. در شرایط کاری سخت مانند صنعت فولادسازی، تولید محصول در شرایطی همچون فرآیند کربن زدائی، کوره بلند، تاندیش های مختلف انجام می شود. در این صنایع کوره های مختلف و پاستیل های فراوانی استفاده می شوند. از این رو تنوع مواد دیرگداز مصرفی در این بخش ها زیاد است. مذاب های عبوری از این دیرگدازها دارای دمایی در محدوده ی 1550-1600 درجه سانتی گراد هستند که در این شرایط خوردگی به علت تلاطمات مذاب بالاست. بنابراین نسوزهای مورد استفاده در این بخش ها بسیار خاص و حساس هستند. این دیرگدازها باید مقاومت به خوردگی، شوک پذیری، مقاومت حرارتی و دوام مناسبی داشته باشند. اگرچه مواد دیرگداز مصرفی در برخی صنایع مانند صنعت فولاد و شیشه سازی موادی با دوام هستند ولی به خاطر شرایط سخت کاری سریعاً فرسوده می شوند و نیاز به تعمیر و جایگزینی دارند.
از آلومینا می توان در ساخت نسوزهای شکل دار و بی شکل استفاده کرد. انواع مختلفی از نسوزها بر پایه ی آلومینا تولید می شوند برای نمونه برخی از آنها را نام می بریم: آجرهای آلومینایی، کامپوزیت های آلومینایی، دیرگدازهای آلومینا-مولایت، دیرگدازهای آلومینا-اسپینل، دیرگدازهای آلومینا- گرافیت در کنار آلومینا می توان فازهای دیگری مانند مولایت و اسپنیل را داشته باشیم. در واقع آلومینا مقاومت به خوردگی خوبی دارد اما در برابر مذاب و سرباره به سرعت خورده می شود از این رو برای افزایش مقاومت به خوردگی آن از مواد کربنی استفاده می شود. مواد کربنی مانند کک، قیر و گرانیت به صورت کامپوزیت با آلومینا استفاده می شوند. نسوزهای آلومینا-گرانیت به خاطر پدید آمدن خاصیت عدم تر شوندگی خواص مقاومتی در برابر خوردگی خوبی دارند. آلومینا شک پذیری خوبی ندارد درواقع شک پذیری آن در حد متوسط است. برای افزایش مقاومت در برابر شک حرارتی می توانیم از فازهای دیگر (به شکل کامپوزیت) در آلومینا استفاده کنیم. مثلاً افزودن مولایت به آلومینا باعث بهبود خواص شوک پذیری آن می شود. برای بهبود خاصیت مقاومتی آلومینا در برابر شک پذیری ماده مکانیزم داریم. یکی آنکه ماده ای به آلومنیا اضافه کنیم که ضریب انبساط آن از ضریب انبساط حرارتی آلومینا پایین تر باشد در نتیجه کامپوزیت حاصل ضریب انبساط حرارتی پایین تر و در نتیجه مقاومت در برابر شک حرارتی بهتری داشته باشد. مکانیزم دیگر این است که ماده ای به آلومینا اضافه کنیم که رسانایی گرمایی کامپوزیت حاصله از رسانایی گرمایی آلومینا بیشتر باشد. در نتیجه این مسئله باعث بهبود مقاومت به شک پذیری می شود. مثلاً افزودن کربن باعث افزایش رسانایی گرمایی کامپوزیت آلومینا- گرافیت می شود. البته تولید کامپوزیت های آلومینا-گرافیت نیز مشکلات خاص خود رادارد. زیرا پخت آن ها باید در اتمسفر خنثی انجام شود. و ازاین رو هزینه ی تولید بالا می رود. ضمناً این بدنه ها نیازمند بایندرهای خاصی دارند که بتوانند اتصالی مناسب میان آلومینا و کربن برقرار کند. از این رو قیمت این گونه کامپوزیت ها بالا است و برای همین مسأله در کاربردهای ویژه از آنها استفاده می شود. مثلاً از کامپوزیت های گرانیت-آلومینا در ساخت دریچه های کشویی پاتیل ها استفاده می شود.
2) ساینده ها
آلومینا دارای سختی بالایی است. در مقیاس موس عدد 9 به آلومینا تعلق دارد. در واقع در این پس از الماس که سختی آن 10 است قرار دارد. به خاطر سختی بالای این ماده از آن در تولید ابزارهای برنده و ساینده ها استفاده می شود. همچنین گلوله های مورد استفاده در بال میل نیز گاهاً از جنس آلومینا هستند.
3) کاربردهای الکتریکی
آلومینا استحکام دی الکتریک بالایی دارد. و می تواند به عنوان پایه مدار، عایق شمع اتومبیل، پوشش لامپ های بخار سدیم از ان استفاده کرد. کاربرد آلومینا در مدارات با فرکانس بالا اهمیت پیدا می کند. در واقع گرمای پدید آمده دراین مدارات می تواند مواد متداول مانند پلاستیک را ذوب کرده و تنها مواد سرامیکی هستند که می توانند در این شرایط تحمل داشته باشند.
4) کاربردهای بیومتریالی
آلومینا از لحاظ شیمیایی یک اکسید آمفوتر و خنثی است. به خاطر وجود این ویژگی، آلومینا مقاومت به خوردگی مناسبی دارد. محیط بدن موجودات زنده محیطی خورنده است. و درصورت عدم تناسب میان یک امپلنت و بدن، بدن آن را دفع می کند. این دفع کردن به همراه تحریک سیستم دفاعی بدن بر علیه ماده ی خارجی است از این رو نوع ماده ی مورد استفاده در ساخت امپلنت و پروتز بسیار مهم می باشد. آلومینا دارای دو ویژگی است که توانسته خود را به عنوان یک ماده ی زیست سازگار پذیر مطرح کند. این دو ویژگی عبارتند از:
1)آلومینا از لحاظ شیمیایی خنثی است.
2)آلومینا با محیط بدن سازگاری دارد.
از این رو آلومینا می تواند کاربردهای بیومتریالی خوبی داشته باشد. البته آلومینا نیز مانند سایر سرامیک ها ماده ای ترد است. و استحکام کششی آن پایین است. از این رو در هنگام استفاده از سرامیک ها (آلومینا) در ساخت پروتزها با مشکل ابعادی روبرو هستیم. در واقع نمی توانیم هر قطعه ای با هر ابعادی را از جنس سرامیکی تهیه کنیم. به صورت کلی اگر قطعه ی ما کوچک باشد مانند دندان و یا استخوان های کوچک ما می توانیم از سرامیک استفاده کنیم اما اگر استخوان ما برزگ
باشد استخوان ران یا ساق پا دیگر نمی توانیم از سرامیک در ساخت آن استفاده کنیم.
از پوشش های آلومینایی برای بهبود خواص سطحی امپلنت ها و پروتزهای فلزی استفاده می شود. در واقع فلزات مواد زیست سازگاری نیستند که با افزوده شدن پوشش آلومینایی این مشکل برطرف شود. به خاطر خواص سایشی مناسب آلومینا از آن در تولید مفاصل سرامیکی بهره گرفته می شود.
امروزه بسیاری از افرادی که تصادف کرده اند، راه رفتن دوباره ی خود را مدیون این مفاصل سرامیکی هستند.
5) کاربردهای ویژه
علاوه بر کاربردهای گسترده ای که در مورد آلومینا گفتیم، برخی از کاربردهای آلومینا خاص هستند. مثلاً در سیستم های صنعتی که مایعات با دمای بالا در حال انتقال هستند ما نیاز به واشرها و درزگیرهایی هستیم که نمی توان آنها را از جنس لاستیک تهیه کرد. این نوع واشرها از جنس آلومینایی هستند. همچنین کاشی های مورد استفاده در شاتل های فضایی از جنس آلومینا هستند. در واقع آلومینا به خاطر خواص زیر برای ساخت کاشی های شاتل فضایی مناسبند:
1) آلومینا نقطه ی ذوب بالایی دارد.
2) آلومینا مقاومت به سایش خوبی دارد.
3) آلومینا استحکام مناسبی دارد.
شاتل های فضایی در هنگام گذر از جو زمین باید بر اصطکاک جو غلبه کنند در این میان علاوه بر اصطکاک، دما نیز بالاست. از این رو نیاز است تا سطح شاتل فضایی به طور مناسبی عایق کاری گردد.آلومینا گزینه ی مناسبی برای این کاربرد است. در یک شاتل فضایی حدود 30000 کاشی استفاده شده است.
نتیجه گیری
همانگونه که قبلاً بیان شد آلومینا یکی از پرمصرف ترین مواد سرامیکی است. تولید سالیانه ی آلومینا حدود 45 میلیون تن است. که 90درصد از این میزان برای تولید فلز آلومینا (به روش الکترولیز) مصرف می شود. این مسئله اهمیت این ماده ی استراتژیک را برای ما مشخص می کند. از این رو توجه به فرآیند تولید،کاربردها و نحوه ی فراوری آن بسیار مهم می باشد