Оксид алюминия (или оксид алюминия (III) ) — это химическое соединение алюминия и кислорода с химической формулой Al2O3 . Это наиболее часто встречающийся из нескольких оксидов алюминия , и конкретно идентифицируемый как оксид алюминия . Его обычно называют глиноземом , а также в различных формах и применениях его можно называть алоксидом , алокситом или алундом . Он встречается в природе в своей кристаллической полиморфной фазе α - Al2O3 как минеральный корунд , разновидности которого образуют драгоценные камни рубин и сапфир . Al2O3 используется для производства металлического алюминия, как абразив из - за его твердости и как огнеупорный материал из- за его высокой температуры плавления. [7]
Корунд является наиболее распространенной природной кристаллической формой оксида алюминия. [8] Рубины и сапфиры являются формами корунда ювелирного качества, которые обязаны своими характерными цветами следам примесей. Рубины получают свой характерный темно-красный цвет и свои лазерные качества от следов хрома . Сапфиры бывают разных цветов, которые обусловлены различными другими примесями, такими как железо и титан. Чрезвычайно редкая δ-форма встречается в виде минерала дельталумита. [9] [10]
Область керамики из оксида алюминия имеет долгую историю. Соли алюминия широко использовались в древней и средневековой алхимии . Несколько старых учебников освещают историю этой области. [11] [12] Учебник Эндрю Руйса 2019 года содержит подробную временную шкалу истории оксида алюминия с древних времен до 21 века. [13]
Al 2 O 3 является электроизолятором , но имеет относительно высокую теплопроводность ( 30 Вт м −1 К −1 ) [2] для керамического материала. Оксид алюминия нерастворим в воде. В своей наиболее часто встречающейся кристаллической форме, называемой корундом или α-оксидом алюминия, его твердость делает его пригодным для использования в качестве абразива и компонента в режущих инструментах . [7]
Оксид алюминия отвечает за устойчивость металлического алюминия к атмосферным воздействиям . Металлический алюминий очень реактивен с кислородом воздуха, и тонкий пассивирующий слой оксида алюминия (толщиной 4 нм) образуется на любой открытой поверхности алюминия в течение сотен пикосекунд. [ нужен лучший источник ] [14] Этот слой защищает металл от дальнейшего окисления. Толщина и свойства этого оксидного слоя могут быть улучшены с помощью процесса, называемого анодированием . Ряд сплавов , таких как алюминиевые бронзы , используют это свойство, включая долю алюминия в сплав для повышения коррозионной стойкости. Оксид алюминия, образующийся при анодировании, обычно является аморфным , но процессы окисления с помощью разряда, такие как плазменно-электролитическое окисление, приводят к значительной доле кристаллического оксида алюминия в покрытии, повышая его твердость .
Оксид алюминия был исключен из списков химических веществ Агентства по охране окружающей среды США в 1988 году. Оксид алюминия включен в список токсичных выбросов Агентства по охране окружающей среды, если он имеет волокнистую форму. [15]
Оксид алюминия является амфотерным веществом, то есть он может реагировать как с кислотами , так и с основаниями , такими как плавиковая кислота и гидроксид натрия , действуя как кислота с основанием и как основание с кислотой, нейтрализуя друг друга и образуя соль.
Наиболее распространенная форма кристаллического оксида алюминия известна как корунд , который является термодинамически стабильной формой. [16] Ионы кислорода образуют почти гексагональную плотноупакованную структуру, в которой ионы алюминия заполняют две трети октаэдрических пустот. Каждый центр Al 3+ является октаэдрическим . С точки зрения кристаллографии , корунд принимает тригональную решетку Браве с пространственной группой R 3 c ( номер 167 в Международных таблицах). Примитивная ячейка содержит две формульные единицы оксида алюминия.
Оксид алюминия также существует в других метастабильных фазах, включая кубические γ и η фазы, моноклинную θ фазу, гексагональную χ фазу, орторомбическую κ фазу и δ фазу, которая может быть тетрагональной или орторомбической. [16] [17] Каждая из них имеет уникальную кристаллическую структуру и свойства. Кубический γ-Al 2 O 3 имеет важные технические применения. Так называемый β-Al 2 O 3 оказался NaAl 11 O 17 . [18]
Расплавленный оксид алюминия вблизи температуры плавления примерно на 2/3 тетраэдрический (т.е. 2/3 Al окружены 4 соседями кислорода) и на 1/3 5-координированный, с очень небольшим (<5%) присутствием октаэдрического Al-O. [19] Около 80% атомов кислорода совместно используются тремя или более полиэдрами Al-O, и большинство межполиэдрических связей являются общими углами, а оставшиеся 10–20% являются общими ребрами. [19] Распад октаэдров при плавлении сопровождается относительно большим увеличением объема (~33%), плотность жидкости вблизи ее точки плавления составляет 2,93 г/ см3 . [20] Структура расплавленного оксида алюминия зависит от температуры, и доля 5- и 6-кратного алюминия увеличивается во время охлаждения (и переохлаждения) за счет тетраэдрических единиц AlO 4 , приближаясь к локальным структурным расположениям, обнаруженным в аморфном оксиде алюминия. [21]
Минералы гидроксида алюминия являются основным компонентом боксита , главной руды алюминия . Смесь минералов включает бокситовую руду, включая гиббсит (Al(OH) 3 ), бемит (γ-AlO(OH)) и диаспор (α-AlO(OH)), а также примеси оксидов и гидроксидов железа , кварца и глинистых минералов . [22] Бокситы встречаются в латеритах . Боксит обычно очищают с помощью процесса Байера :
За исключением SiO 2 , остальные компоненты боксита не растворяются в основании. При фильтрации основной смеси удаляется Fe 2 O 3 . При охлаждении раствора Байера выпадает в осадок Al(OH) 3 , оставляя силикаты в растворе.
Затем твердый Al(OH) 3 Гиббсит прокаливают (нагревают до температуры более 1100 °C) для получения оксида алюминия: [7]
Продукт оксида алюминия имеет тенденцию быть многофазным, т.е. состоящим из нескольких фаз оксида алюминия, а не только из корунда . [17] Таким образом, производственный процесс может быть оптимизирован для производства индивидуального продукта. Тип присутствующих фаз влияет, например, на растворимость и пористую структуру продукта оксида алюминия, что, в свою очередь, влияет на стоимость производства алюминия и контроль загрязнения. [17]
Процесс спекания — это высокотемпературный метод, который в основном используется, когда процесс Байера не подходит, особенно для руд с высоким содержанием кремнезема или когда требуется более контролируемая морфология продукта. [23] Во-первых, боксит смешивают с добавками, такими как известняк и кальцинированная сода, затем нагревают смесь при высоких температурах (от 1200 °C до 1500 °C) для образования алюмината натрия и силиката кальция . [24] После спекания материал выщелачивают водой для растворения алюмината натрия , оставляя примеси. Затем алюминат натрия осаждают из раствора и прокаливают при температуре около 1000 °C для получения глинозема. [25] Этот метод полезен для производства сложных форм и может использоваться для создания пористых или плотных материалов. [26]
Известный как альфа-глинозем в материаловедении и как алунд (в плавленной форме) или алоксит [27] в горнодобывающей и керамической промышленности, оксид алюминия находит широкое применение. Годовой мировой объем производства оксида алюминия в 2015 году составил приблизительно 115 миллионов тонн , более 90% из которых было использовано в производстве металлического алюминия. [7] Основные области применения специальных оксидов алюминия — огнеупоры, керамика, полировка и абразивные применения. Большие тоннажи гидроксида алюминия, из которого получают оксид алюминия, используются в производстве цеолитов , пигментов на основе титана и в качестве огнезащитного/дымогасящего средства.
Более 90% оксида алюминия, называемого глиноземом плавильного сорта (SGA), потребляется для производства алюминия, обычно по процессу Холла-Эру . Оставшаяся часть, называемая специальным глиноземом , используется в самых разных областях, где используются его инертность, термостойкость и электрическое сопротивление. [28]
Будучи довольно химически инертным и белым, оксид алюминия является предпочтительным наполнителем для пластмасс. Оксид алюминия является распространенным ингредиентом в солнцезащитных кремах [29] и часто также присутствует в косметике, такой как румяна, губная помада и лак для ногтей. [30]
Во многих составах стекла в качестве ингредиента присутствует оксид алюминия. [31] Алюмосиликатное стекло — это широко используемый тип стекла, который часто содержит от 5% до 10% оксида алюминия.
Оксид алюминия катализирует множество реакций, которые полезны в промышленности. В своем самом крупном масштабе применения оксид алюминия является катализатором в процессе Клауса для преобразования сероводородных отходящих газов в элементарную серу на нефтеперерабатывающих заводах. Он также полезен для дегидратации спиртов в алкены .
Оксид алюминия служит в качестве носителя для многих промышленных катализаторов, например, используемых в гидродесульфуризации и некоторых процессах полимеризации Циглера-Натта .
Оксид алюминия широко используется для удаления воды из газовых потоков. [32]
Оксид алюминия используется из-за его твердости и прочности. Его природная форма, корунд , имеет твердость 9 по шкале Мооса (чуть ниже алмаза). Он широко используется в качестве абразива , в том числе как гораздо менее дорогой заменитель промышленного алмаза . Во многих типах наждачной бумаги используются кристаллы оксида алюминия. Кроме того, его низкая теплоемкость и низкая удельная теплоемкость делают его широко используемым в шлифовальных операциях, особенно в отрезных инструментах. Как порошкообразный абразивный минерал алоксит , он является основным компонентом, наряду с кремнием , «мела» для наконечника кия, используемого в бильярде . Порошок оксида алюминия используется в некоторых наборах для полировки и ремонта царапин CD / DVD . Его полирующие свойства также лежат в основе его использования в зубной пасте. Он также используется в микродермабразии , как в машинном процессе, доступном через дерматологов и косметологов, так и в качестве ручного дермального абразива, используемого в соответствии с инструкциями производителя.
Чешуйки оксида алюминия используются в красках для создания светоотражающих декоративных эффектов, например, в автомобильной или косметической промышленности. [ необходима цитата ]
Оксид алюминия является представителем биоинертной керамики. [33] Благодаря своей превосходной биосовместимости, высокой прочности и износостойкости алюмооксидная керамика используется в медицине для изготовления искусственных костей и суставов. [34] В этом случае оксид алюминия используется для покрытия поверхностей медицинских имплантатов, чтобы придать им биосовместимость и коррозионную стойкость. [35] Он также используется для изготовления зубных имплантатов, эндопротезов суставов и других медицинских устройств. [36]
Оксид алюминия использовался в нескольких экспериментальных и коммерческих волокнистых материалах для высокопроизводительных приложений (например, Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720). [37] В частности, нановолокна оксида алюминия стали областью интереса для исследований.
В некоторых бронежилетах используются пластины из оксида алюминия, обычно в сочетании с арамидной или UHMWPE-подложкой для достижения эффективности против большинства угроз от винтовок. Броня из оксида алюминия доступна большинству гражданских лиц в юрисдикциях, где она легальна, но не считается военной. [38] Она также используется для производства пуленепробиваемого оксидного стекла, способного выдерживать удары пуль калибра .50 BMG .
Оксид алюминия может быть выращен в качестве покрытия на алюминии путем анодирования или плазменно-электролитического окисления (см. «Свойства» выше). Как твердость , так и износостойкие характеристики покрытия обусловлены высокой прочностью оксида алюминия, однако пористый слой покрытия, полученный с помощью обычных процедур анодирования постоянным током, имеет твердость в диапазоне 60–70 по Роквеллу C [39] , что сопоставимо только с закаленными сплавами углеродистой стали, но значительно уступает твердости натурального и синтетического корунда. Вместо этого, при плазменно-электролитическом окислении , покрытие является пористым только на поверхностном оксидном слое, в то время как нижние оксидные слои намного более компактны, чем при стандартных процедурах анодирования постоянным током, и имеют более высокую кристалличность из-за того, что оксидные слои переплавляются и уплотняются для получения кластеров α-Al2O3 с гораздо более высокими значениями твердости покрытия, около 2000 по Виккерсу. [ требуется ссылка ]
Глинозем используется для производства плиток, которые крепятся внутри линий подачи пылевидного топлива и дымоходов на угольных электростанциях для защиты зон повышенного износа. Они не подходят для зон с высокой ударной нагрузкой, поскольку эти плитки хрупкие и подвержены поломкам.
Оксид алюминия — это электрический изолятор , используемый в качестве подложки ( кремний на сапфире ) для интегральных схем , [40] а также в качестве туннельного барьера для изготовления сверхпроводящих устройств, таких как одноэлектронные транзисторы , сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства ( СКВИДы ) и сверхпроводящие кубиты . [41] [42]
Для его применения в качестве электрического изолятора в интегральных схемах, где конформный рост тонкой пленки является предпосылкой, а предпочтительным режимом роста является осаждение атомных слоев , пленки Al 2 O 3 могут быть получены путем химического обмена между триметилалюминием (Al(CH 3 ) 3 ) и H 2 O: [43]
H 2 O в приведенной выше реакции может быть заменен озоном (O 3 ) в качестве активного окислителя, и тогда происходит следующая реакция: [44] [45]
Пленки Al 2 O 3 , полученные с использованием O 3 , показывают в 10–100 раз меньшую плотность тока утечки по сравнению с пленками, полученными с использованием H 2 O.
Оксид алюминия, являясь диэлектриком с относительно большой шириной запрещенной зоны , используется в качестве изолирующего барьера в конденсаторах . [46]
В освещении полупрозрачный оксид алюминия используется в некоторых натриевых лампах . [47] Оксид алюминия также используется при приготовлении суспензий покрытий в компактных люминесцентных лампах .
В химических лабораториях оксид алюминия является средой для хроматографии , доступной в основных (pH 9,5), кислых (pH 4,5 в воде) и нейтральных формулах. Кроме того, небольшие кусочки оксида алюминия часто используются в качестве кипящих чипов .
В здравоохранении и медицине он используется в качестве материала для эндопротезов тазобедренного сустава [7] и противозачаточных таблеток [48] .
Он используется в качестве сцинтиллятора [49] и дозиметра для защиты от радиации и терапевтических целей благодаря своим свойствам оптически стимулированной люминесценции . [ необходима ссылка ]
Изоляция для высокотемпературных печей часто изготавливается из оксида алюминия. Иногда изоляция имеет разное процентное содержание кремния в зависимости от температурного диапазона материала. Изоляция может быть изготовлена в виде одеяла, доски, кирпича и рыхлого волокна для различных требований применения.
Он также используется для изготовления изоляторов свечей зажигания . [50]
Используя процесс плазменного напыления и смешивая с диоксидом титана , его наносят на тормозную поверхность некоторых велосипедных ободов для обеспечения стойкости к истиранию и износу. [ необходима цитата ]
Большинство керамических глазков на удочках представляют собой круглые кольца, изготовленные из оксида алюминия. [ необходима цитата ]
В своей самой мелкой порошкообразной (белой) форме, называемой «Диамантин», оксид алюминия используется как превосходный полирующий абразив в часовом деле. [51]
Оксид алюминия также используется в покрытии стоек в индустрии мотокросса и горных велосипедов. Это покрытие сочетается с дисульфатом молибдена для обеспечения долговременной смазки поверхности. [52]
Оксид алюминия также используется для изготовления изоляторов свечей зажигания.