Ứng dụng và chuyển pha của các loại alumina tinh thể khác nhau
Trong lĩnh vực khai khoáng, gốm sứ và khoa học vật liệu, nhôm oxit (công thức hóa học Al2O3), còn được gọi là bauxit, là một hợp chất ion có liên kết hóa học mạnh. Nó có các đặc tính tuyệt vời như độ cứng cao, độ bền cơ học cao, khả năng chống ăn mòn hóa học, khả năng chống mài mòn tốt và độ dẫn nhiệt tốt. Đây là một nguyên liệu hóa học quan trọng trong công nghiệp.
Có hai cách chính để sắp xếp cấu trúc tinh thể của nhôm oxit: một là các nguyên tử oxy được sắp xếp theo dạng xếp lục giác và cách còn lại là các nguyên tử oxy được sắp xếp theo dạng xếp khối lập phương.
(1) Tính chất và ứng dụng của α-Al2O3
α-Al2O3 thường được gọi là corundum. α-Al2O3 là tinh thể màu trắng và là loại tinh thể alumina phổ biến và ổn định nhất. Nó thuộc về cấu trúc đóng gói chặt chẽ dạng tam giác. Trong cấu trúc tinh thể α-Al2O3, các ion oxy được sắp xếp theo kiểu lục giác khép kín, lặp lại trong hai lớp ABABAB… để tạo thành một số hình bát diện, trong khi các ion nhôm lấp đầy các khoảng trống giữa mỗi bát diện.
Hiện nay, α-Al2O3 được sử dụng rộng rãi trong vật liệu mài mòn, vật liệu chịu lửa, chất nền mạch tích hợp và gốm chức năng cấu trúc.
(2) Tính chất và ứng dụng của β-Al2O3
β-Al2O3 thực chất là một aluminat, là hợp chất tổng hợp bao gồm các oxit kim loại và oxit nhôm. Các ion kim loại như Na+ có thể khuếch tán nhanh trong lớp mặt phẳng này, do đó tinh thể β-Al2O3 có thể dẫn điện và là một loại chất điện phân rắn quan trọng. Do đó, β-Al2O3 có thể được sử dụng để chế tạo vật liệu màng ngăn chất điện phân rắn trong pin natri-lưu huỳnh và cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn ion và cô lập các điện cực dương và âm của pin.
(3) Tính chất và ứng dụng của γ-Al2O3
γ-Al2O3 là nhôm oxit ở trạng thái chuyển tiếp được sử dụng phổ biến nhất. Nó không tồn tại trong tự nhiên. Trong cấu trúc của nó, các ion oxy có thể được xấp xỉ là khối lập phương và được đóng gói chặt chẽ, trong khi các ion nhôm phân bố không đều trong các lỗ rỗng bát diện và tứ diện được tạo thành bởi các ion oxy, thuộc cấu trúc spinel. Quá trình chế tạo γ-Al2O3 tương đối đơn giản và nhiệt độ hình thành của nó tương đối thấp, thường trong khoảng 500~700℃. γ-Al2O3 không tan trong nước nhưng thường có thể hòa tan trong axit hoặc kiềm.
Biến đổi pha của các loại nhôm oxit tinh thể khác nhau
Trong số các dạng tinh thể khác nhau, chỉ có α-Al2O3 là pha tinh thể ổn định và tất cả các pha khác đều là pha chuyển tiếp, ở trạng thái không ổn định về mặt nhiệt động lực học. Khi nhiệt độ tăng, nhôm oxit chuyển tiếp không ổn định có thể chuyển thành pha ổn định, đây là sự biến đổi không thể đảo ngược của quá trình tái tạo mạng tinh thể.
Để thu được α-Al2O3 ổn định, cần kiểm soát quy trình hoàn hảo từ khâu sàng quặng ban đầu, tổng hợp bột đến thiêu kết. Việc chế tạo alumina nhiệt độ cao trong và ngoài nước thường sử dụng nhôm hydroxit công nghiệp hoặc alumina công nghiệp làm nguyên liệu, tạo thành pha chuyển tiếp thông qua quá trình tách nước, sau đó trải qua nhiều lần chuyển pha ở nhiệt độ cao và cuối cùng chuyển thành pha α Al2O3.
Gibbsite (Al(OH)3) và boehmite (AlOOH) là những tiền chất được sử dụng phổ biến nhất để chế tạo α-Al2O3. Trong quá trình xử lý nhiệt ban đầu, nhôm hydroxit chuyển thành alumina chuyển tiếp dưới dạng cấu trúc bán bền và cuối cùng kết thúc bằng pha α-Al2O3 ổn định về mặt nhiệt động.
Trong công nghiệp, người ta thường sử dụng các phương pháp nung khác nhau để chuyển pha bán bền γ-Al2O3 thành pha α-ổn định để chế tạo α-Al2O3 có hình thái khác nhau. α-Al2O3 với các hình thái khác nhau có thể được sản xuất bằng cách kiểm soát các nhiệt độ nung khác nhau, thêm các loại phụ gia khác nhau, phương pháp nghiền, v.v. Thông thường, các tinh thể α-Al2O3 ở nhiều dạng khác nhau như dạng giun, dạng vảy, dạng cột, dạng cầu, dạng cầu và dạng sợi được bao gồm.
Với sự phát triển nhanh chóng của ngành gốm sứ, ngành dược phẩm, ngành điện tử và ngành máy móc, nhu cầu thị trường về alumina vẫn còn nhiều chỗ để phát triển, vì vậy nghiên cứu về alumina có ý nghĩa sâu sắc. Hiểu và nắm vững cấu trúc tinh thể và tính chất của alumina là điều kiện tiên quyết quan trọng để chế tạo bột alumina. Các dạng tinh thể khác nhau của alumina có các lĩnh vực ứng dụng khác nhau. α-Al2O3 là dạng ổn định nhất trong tất cả các dạng alumina. Trong sản xuất, các loại tinh thể α-Al2O3 khác nhau thường được chế tạo bằng cách kiểm soát môi trường phát triển của tinh thể α-Al2O3 để đáp ứng nhu cầu của gốm sứ, vật liệu chịu lửa và các vật liệu chức năng mới khác cho các cấu trúc tinh thể khác nhau của α-Al2O3.