Farklı kristal alüminaların uygulaması ve faz geçişi
Madencilik, seramik ve malzeme bilimi alanlarında, boksit olarak da bilinen alüminyum oksit (kimyasal formülü Al2O3), güçlü kimyasal bağlara sahip iyonik bir bileşiktir. Yüksek sertlik, yüksek mekanik mukavemet, kimyasal korozyon direnci, iyi aşınma direnci ve iyi ısı iletkenliği gibi mükemmel özelliklere sahiptir. Endüstride önemli bir kimyasal hammaddedir.
Alüminyum oksidin kristal yapısını düzenlemenin iki ana yolu vardır: birincisi oksijen atomlarının altıgen istiflemede düzenlenmesi, diğeri ise oksijen atomlarının kübik istiflemede düzenlenmesidir.
(1) α-Al2O3’ün özellikleri ve uygulamaları
α-Al2O3 yaygın olarak korindon olarak bilinir. α-Al2O3 beyaz bir kristaldir ve en yaygın ve kararlı alümina kristali türüdür. Trigonal sıkı paketlenmiş yapıya aittir. α-Al2O3 kristal yapısında, oksijen iyonları altıgen sıkı paketlenmiş bir desende düzenlenir ve birkaç oktahedral şekil oluşturmak için iki ABABAB katmanında tekrarlanırken, alüminyum iyonları her oktahedron arasındaki boşlukları doldurur.
Günümüzde α-Al2O3 aşındırıcı malzemelerde, refrakter malzemelerde, entegre devre alt tabakalarında ve yapısal fonksiyonel seramiklerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
(2) β-Al2O3’ün özellikleri ve uygulamaları
β-Al2O3 aslında metal oksitler ve alüminyum oksitten oluşan bir kompozit bileşik olan bir alüminattır. Na+ gibi metal iyonları bu düz katmanda hızla yayılabilir, bu nedenle β-Al2O3 kristalleri elektriği iletebilir ve önemli bir katı elektrolit türüdür. Bu nedenle, β-Al2O3 sodyum-kükürt pillerinde katı elektrolit diyafram malzemeleri hazırlamak için kullanılabilir ve ayrıca iyon iletimi ve pilin pozitif ve negatif elektrotlarının izole edilmesinde önemli bir rol oynayabilir.
(3) γ-Al2O3’ün özellikleri ve uygulamaları
γ-Al2O3 en yaygın kullanılan geçiş hali alüminyum oksittir. Doğada bulunmaz. Yapısında, oksijen iyonları kübik ve sıkı paketlenmiş olarak tahmin edilebilirken, alüminyum iyonları spinel yapıya ait oksijen iyonlarının oluşturduğu oktahedral ve tetrahedral boşluklarda düzensiz olarak dağılmıştır. γ-Al2O3’ün hazırlanma süreci nispeten basittir ve oluşum sıcaklığı nispeten düşüktür, genellikle 500~700℃ aralığındadır. γ-Al2O3 suda çözünmez ancak genellikle asit veya alkalide çözülebilir.
Farklı kristal alüminaların faz dönüşümü
Farklı kristal formlar arasında, yalnızca α-Al2O3 kararlı bir kristal fazdır ve diğer tüm fazlar termodinamik olarak kararsız bir durumda olan geçiş fazlarıdır. Sıcaklık arttıkça, kararsız geçiş alüminası, kafes yeniden yapılandırmasının geri döndürülemez bir dönüşümü olan kararlı bir faza dönüştürülebilir.
Kararlı α-Al2O3 elde etmek için, ilk cevher elemesinden, toz sentezinden sinterlemeye kadar mükemmel bir proses kontrolü gereklidir. Yurt içinde ve yurt dışında yüksek sıcaklıklı alüminanın hazırlanması genellikle hammadde olarak endüstriyel alüminyum hidroksit veya endüstriyel alümina kullanır, dehidratasyon yoluyla bir geçiş fazı oluşturur ve daha sonra yüksek sıcaklıkta çoklu faz dönüşümlerine uğrar ve son olarak α-faz Al2O3’e dönüşür.
Gibbsit (Al(OH)3) ve böhmit (AlOOH), α-Al2O3’ün hazırlanmasında en sık kullanılan öncülerdir. İlk ısıl işlem sürecinde alüminyum hidroksit, metastabil bir yapı formunda geçiş alüminasına dönüşür ve sonunda α-Al2O3’ün termodinamik olarak stabil fazıyla sonlanır.
Endüstride, genellikle metastabil faz γ-Al2O3’ü α-stabil faza dönüştürmek için farklı kalsinasyon yöntemleri kullanılır ve farklı morfolojilere sahip α-Al2O3 hazırlanır. Farklı morfolojilere sahip α-Al2O3, farklı kalsinasyon sıcaklıklarının kontrol edilmesi, farklı tipte katkı maddelerinin eklenmesi, öğütme yöntemleri vb. ile üretilebilir. Genellikle solucan benzeri, pul benzeri, sütunlu, küresel, küresel ve lifli gibi çeşitli formlardaki α-Al2O3 kristalleri dahil edilir.
Seramik endüstrisi, ilaç endüstrisi, elektronik endüstrisi ve makine endüstrisinin hızla gelişmesiyle birlikte, alüminaya olan pazar talebi hala geliştirilecek çok fazla alana sahiptir, bu nedenle alümina üzerine yapılan araştırmalar derin bir öneme sahiptir. Alüminanın kristal yapısını ve özelliklerini anlamak ve bunlara hakim olmak, alümina tozunun hazırlanması için önemli bir ön koşuldur. Alüminanın farklı kristal formlarının farklı uygulama alanları vardır. α-Al2O3, tüm alümina formlarının en kararlı olanıdır. Üretimde, farklı tipte α-Al2O3 kristalleri genellikle seramiklerin, refrakter malzemelerin ve diğer yeni fonksiyonel malzemelerin α-Al2O3’ün farklı kristal mikro yapılarına olan ihtiyaçlarını karşılamak için α-Al2O3 kristallerinin büyüme ortamının kontrol edilmesiyle hazırlanır.