การประยุกต์ใช้และการเปลี่ยนเฟสของอะลูมินาผลึกต่างๆ

ในสาขาการขุด เซรามิก และวัสดุศาสตร์ อะลูมิเนียมออกไซด์ (สูตรเคมี Al2O3) หรือที่เรียกว่าบ็อกไซต์ เป็นสารประกอบไอออนิกที่มีพันธะเคมีที่แข็งแกร่ง มีลักษณะเด่น เช่น ความแข็งสูง ความแข็งแรงเชิงกลสูง ทนต่อการกัดกร่อนของสารเคมี ทนต่อการสึกหรอได้ดี และนำความร้อนได้ดี เป็นวัตถุดิบทางเคมีที่สำคัญในอุตสาหกรรม

มีสองวิธีหลักในการจัดเรียงโครงสร้างผลึกของอะลูมิเนียมออกไซด์ วิธีหนึ่งคือ อะตอมออกซิเจนจะเรียงซ้อนกันเป็นรูปหกเหลี่ยม และอีกวิธีหนึ่งคือ อะตอมออกซิเจนจะเรียงซ้อนกันเป็นรูปลูกบาศก์

(1) คุณสมบัติและการใช้งานของ α-Al2O3

α-Al2O3 เรียกกันทั่วไปว่าคอรันดัม α-Al2O3 เป็นผลึกสีขาวและเป็นผลึกอะลูมินาชนิดที่พบได้ทั่วไปและเสถียรที่สุด จัดอยู่ในโครงสร้างแบบสามเหลี่ยมด้านเท่า ในโครงสร้างผลึก α-Al2O3 ไอออนออกซิเจนจะถูกจัดเรียงในรูปแบบหกเหลี่ยมที่อัดแน่น ซ้ำกันในสองชั้นของ ABABAB… เพื่อสร้างรูปทรงแปดหน้าหลายรูป ในขณะที่ไอออนอะลูมิเนียมจะเติมเต็มช่องว่างระหว่างรูปทรงแปดหน้าแต่ละรูป

ปัจจุบัน α-Al2O3 ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในวัสดุที่มีฤทธิ์กัดกร่อน วัสดุทนไฟ พื้นผิววงจรรวม และเซรามิกที่มีฟังก์ชันโครงสร้าง

(2) คุณสมบัติและการใช้งานของ β-Al2O3

β-Al2O3 เป็นอะลูมิเนต ซึ่งเป็นสารประกอบเชิงประกอบที่ประกอบด้วยออกไซด์ของโลหะและอะลูมิเนียมออกไซด์ ไอออนของโลหะ เช่น Na+ สามารถแพร่กระจายได้อย่างรวดเร็วในชั้นระนาบนี้ ดังนั้นผลึก β-Al2O3 จึงสามารถนำไฟฟ้าได้ และเป็นอิเล็กโทรไลต์แข็งประเภทสำคัญ ดังนั้น β-Al2O3 จึงสามารถใช้ในการเตรียมวัสดุไดอะแฟรมอิเล็กโทรไลต์แข็งในแบตเตอรี่โซเดียม-ซัลเฟอร์ได้ และยังสามารถมีบทบาทสำคัญในการนำไอออนและการแยกขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ได้อีกด้วย

(3) คุณสมบัติและการใช้งานของ γ-Al2O3

γ-Al2O3 เป็นอะลูมิเนียมออกไซด์สถานะทรานซิชันที่ใช้กันทั่วไปที่สุด ซึ่งไม่มีอยู่ในธรรมชาติ ในโครงสร้างของมัน ไอออนออกซิเจนสามารถประมาณได้เป็นลูกบาศก์และอัดแน่นในขณะที่ไอออนอะลูมิเนียมกระจายตัวไม่สม่ำเสมอในช่องว่างแปดด้านและสี่ด้านที่เกิดจากไอออนออกซิเจน ซึ่งอยู่ในโครงสร้างสปิเนล กระบวนการเตรียม γ-Al2O3 ค่อนข้างง่าย และอุณหภูมิในการสร้างค่อนข้างต่ำ โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 500~700℃ γ-Al2O3 ไม่ละลายน้ำ แต่โดยปกติสามารถละลายในกรดหรือด่างได้

การเปลี่ยนเฟสของอะลูมินาผลึกต่าง ๆ

ในบรรดารูปแบบผลึกต่าง ๆ มีเพียง α-Al2O3 เท่านั้นที่เป็นเฟสผลึกที่เสถียร และเฟสอื่น ๆ ทั้งหมดเป็นเฟสทรานสิชั่น ซึ่งอยู่ในสถานะที่ไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อะลูมินาทรานสิชั่นที่ไม่เสถียรสามารถเปลี่ยนเป็นเฟสเสถียร ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างตาข่ายแบบย้อนกลับไม่ได้

เพื่อให้ได้ α-Al2O3 ที่เสถียร จำเป็นต้องมีการควบคุมกระบวนการที่สมบูรณ์แบบตั้งแต่การคัดกรองแร่เบื้องต้น การสังเคราะห์ผง ไปจนถึงการเผาผนึก การเตรียมอะลูมินาที่อุณหภูมิสูงในประเทศและต่างประเทศมักใช้ไฮดรอกไซด์อะลูมิเนียมหรืออะลูมินาอุตสาหกรรมเป็นวัตถุดิบ สร้างเฟสทรานสิชั่นโดยการคายน้ำ จากนั้นจึงผ่านการเปลี่ยนเฟสหลายเฟสที่อุณหภูมิสูง และสุดท้ายเปลี่ยนเป็น Al2O3 เฟส α

กิบบ์ไซต์ (Al(OH)3) และโบเอไมต์ (AlOOH) เป็นสารตั้งต้นที่ใช้กันทั่วไปที่สุดในการเตรียม α-Al2O3 ในกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนขั้นต้น อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์จะเปลี่ยนเป็นอะลูมินาทรานสิชั่นในรูปแบบของโครงสร้างกึ่งเสถียร และสุดท้ายจะสิ้นสุดลงด้วยเฟสที่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ของ α-Al2O3

ในอุตสาหกรรม มักใช้กรรมวิธีเผาที่แตกต่างกันเพื่อเปลี่ยนเฟสกึ่งเสถียร γ-Al2O3 ให้เป็นเฟสที่เสถียรของ α เพื่อเตรียม α-Al2O3 ที่มีสัณฐานวิทยาที่แตกต่างกัน α-Al2O3 ที่มีสัณฐานวิทยาที่แตกต่างกันสามารถผลิตได้โดยการควบคุมอุณหภูมิการเผาที่แตกต่างกัน การเติมสารเติมแต่งประเภทต่างๆ วิธีการบด ฯลฯ โดยปกติแล้ว ผลึก α-Al2O3 ในรูปแบบต่างๆ เช่น รูปหนอน รูปเกล็ด รูปคอลัมน์ รูปทรงกลม รูปทรงกลม และรูปเส้นใย จะรวมอยู่ด้วย

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมเซรามิก อุตสาหกรรมยา อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และอุตสาหกรรมเครื่องจักร ความต้องการของตลาดสำหรับอะลูมินายังคงมีช่องว่างสำหรับการพัฒนาอีกมาก ดังนั้นการวิจัยเกี่ยวกับอะลูมินาจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง การทำความเข้าใจและเชี่ยวชาญโครงสร้างผลึกและคุณสมบัติของอะลูมินาเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นที่สำคัญสำหรับการเตรียมผงอะลูมินา ผลึกอะลูมินารูปแบบต่างๆ จะมีพื้นที่การใช้งานที่แตกต่างกัน α-Al2O3 เป็นรูปแบบอะลูมินาที่เสถียรที่สุด ในการผลิต ผลึก α-Al2O3 ประเภทต่างๆ มักจะเตรียมโดยการควบคุมสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตของผลึก α-Al2O3 เพื่อตอบสนองความต้องการของเซรามิก วัสดุทนไฟ และวัสดุฟังก์ชันใหม่ๆ อื่นๆ สำหรับโครงสร้างจุลภาคผลึกที่แตกต่างกันของ α-Al2O3