آلومینا (اکسید آلومینیوم)

اکسید آلومینیوم از خانواده ترکیبات غیرآلی با فرمول شیمیاییAl2O3  است. این اکسید، یک اکسید آمفوتر مهم است و نام ­های تجاری متنوعی مانند آلومینا، کوراندوم و.... دارد. نام ­های تجاری متنوع اکسید آلومینیوم نشان دهنده­ ی گستره­ ی وسیع استفاده از این ماده در صنعت است.

کوراندوم عمده­ ترین و پایدارترین فرم کریستالی اکسید آلومینیوم است که در طبیعت وجود دارد و به آن α- آلومینا گفته می­ شود. در ساختار کوراندوم یون­ های اکسیژن و آلومینیوم به صورت هگزاگونال متراکم (HCP) درآمده ­اند (شکل زیر). در واقع یون­ های اکسیژن به صورت هگزاگونال متراکم (HCP) هستند و یون­ های Al3+ دو سوم فضاهای خالی 8 وجهی را اشغال کرده­ اند. در مرکز این ساختار Al3+  به صورت یک 8 وجهی است. بنابراین با توجه به یون­ هایAl3+  از لحاظ کریستالوگرافی، کوراندوم دارای شبکه ­ی تری گونال است. در واقع هر سلول واحدHCP، از 2 واحد فرمولی اکسید آلومینیوم تشکیل شده است. 

 

  

یاقوت سرخ (Ruby) و یاقوت کبود (Sapphire) سنگ ­های گران بهایی هستند که از کوراندوم تشکیل شده­ اند. علت وجود رنگ­ های متنوع در این گونه کوراندوم به دلیل وجود ناخالصی­ ها است. 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.

آلومینا همچنین به صورت فازهای دیگر نیز وجود دارد. که آن ­ها را براساس حروف یونانی نام­ گذاری 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 می­تواند مقداری در آب حل شود. حلالیت این فاز نشان دهنده­ ی نامناسب بودن آن برای کاربرد است.

همچنین می­توان از ناپایداری برخی از فازهای آلومینا استفاده کرد و از فعالیت­های شیمیایی آن­ها در کاربردهای خاص بهره برد. مثلاً می­توان از آن­ها به عنوان پایه کاتالیست و یا حتی کاتالیزور استفاده کرد.

اکسید آلومینیوم یک عایق الکتریکی است. اما دارای رسانایی گرمایی نسبتاً بالایی (wm.K 301) 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 بالا است. به دلیل بالا بودن نقطه­ ی ذوب آلومینا این ماده مقاومت و ثبات حرارتی بالایی دارد. سختی بالای کوراندوم باعث شده است تا این ماده به عنوان یک جزء مناسب برای کاربردهای ساینده و ابزارهای برش باشد. سختی آلومینا در مقیاس موس، 9 است. در این طبقه ­بندی پس از الماس، آلومینا در رتبه ­ی دوم قرار دارد. آلومینا استحکام دی ­الکتریک خوبی دارد. این ماده الکترولیت جامد نیست و از این رو مانند اکسید زیرکونیوم (ZrO2عمل نمی ­کند و خواص دی­ الکتریک آن به فشار اکسیژن بستگی ندارد. در جدول زیر برخی از خواص فیزیکی آلومینا آورده شده است.

 

خاصیت

واحد

خاصیت

واحد

دمای جوش

  ‎   2279°C

جرم مولی

96/101  g mol−1

حلالیت در آب

Insoluble

شکل ظاهری

white solid

میزان حلالیت در دیگر محلول­ ها

قابل حل در دی‌اتیل اتر
و تا حدودی در اتانول

بو

Odorless

هدایت گرمایی

30 W·m−1·K−1

چگالی

1/4- 95/3 g/cm3

ضریب شکست (nD)

nω=768/1-772/1
nε=760/1-763/1

دمای ذوب

2072 °C

 

 

 

ویژگی­های کلیدی آلومینا

ویژگی­ هایی که آلومینا دارد، باعث شده تا بتوان از آن در کاربردهای بسیاری استفاده کرد. برخی از این ویژگی­ ها عبارتند از:

1-    استحکام فشاری بالا

2-    سختی بالا

3-    مقاومت به سایش بالا

4-    مقاومت در برابر حملات شیمیایی حتی در دماهای بالا

5-    رسانایی گرمایی بالا

6-     مقاومت در برابر شک حرارتی

7-    دیرگدازی بالا

8-    مقاومت دی لکتریک بالا

9-    مقاومت الکتریکی بالا حتی در دماهای بالا

        10-   شفافیت در برابر فرکانس­ های اشعه ­ی مایکروویو

11-   ماده ­ی اولیه ­ی آن بسهولت قابل دسترسی است و قیمت آن دارای نوسان شدید نیست

  فرآیند تولید اکسید آلومینیوم

بوکسیت فراوان ­ترین سنگ معدن آلومیناست. مخلوطی از کانی­ های مختلف در سنگ بوکسیت وجود دارند. این کانی­ ها عبارتند از:

1- گیبسیت

2- بوهمیت

3- دیاسپور

4- هیدروکسید و اکسید آهن

5- کوارتز

6- کانی های رسی                                                  

بوکسیت در خاک­ های سرخ و در نواحی آمریکای جنوبی، آسیای جنوبی، آفریقای غربی، هند و جنوب ایالات متحده آمریکا جود دارد. برای تولید پودر آلومینا بوکسیت بوسیله ­ی فرآیند بایر خالص سازی می­ شود.

 روش بایر

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 و سود حل می­ گردد. با حل شدن بوکسیت در آب بوسیله ­ی سودسوزآور، 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 معروفند. در مرحله­ ی بعد برای عکس کردن واکنش 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 کلرین­ها، فلرین­ها و بور می­ توانند دمای تجزیه­ ی هیدروکسید را کاهش دهند. همچنین این ترکیبات، عامل جوانه ­زا برای تشکیل-α آلومینا هستند و علاوه بر دمای تجزیه ­ی هیدروکسید، بر روی شکل ذرات نهایی اثر گذار هستند. هر چه دمای کوره (دمای تجزیه) بالاتر رود، تبدیل می ­تواند کامل ­تر صورت گیرد. در دمای 1400 درجه سانتی گراد در حدود 90-99% 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% تولید نمود.

مشکلات روش بایر

1-    هزینه ­ی بالا

2-    به مخازن بزرگ آب نیازمند است و از این رو مصرف آب در روش بایر بالاست.

3-    این روش انرژی بر است (برای گرم کردن مخازن آب نیاز به انرژی زیادی داریم).

4-    ضایعات و باطله­ های آن زیاد است.

ورود ناخالصی ­هایی همچون اکسید سدیم موجب تخریب خواص الکتریکی آلومینا شده و می ­بایستی با اعمال فرآیند های جانبی درصد این گونه ناخالص ی­ها را کاهش داد. در کاربردهای الکتریکی میزان یون سدیم بسیار مهم است. یون سدیم وارد ساختار آلومینا می ­شود و به صورت فاز θ در می­ 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 آن ­ها می­ شود. بنابراین توجه به خلوص آلومینا در برخی صنایع مانند صنعت دیرگداز و الکترونیک و... ضروری به نظر می ­رسد.

 

گریدهای تجاری آلومینا (انواع آلومینا)

از لحاظ تجاری گریدهای مختلفی از آلومینا وجود دارد که هر تولید کننده ­ی شاغل در بخش سرامیک با توجه به نیازهایی که از آلومینا دارد، یک یا چند گرید از آن را استفاد می­ کند. در ادامه به معرفی کاملی از گریدهای مختلف آلومینا می پردازیم:

آلومینای اسملتر

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 کوره­های دوار تولید می ­شده است. اما امروزه عموماً بوسیله­ ی کلساینرهای فلوید فلش یا بستر مایع تولید می ­شوند. در فرآیندهای فلوید فلش، آلومینیوم هیدروکسید به داخل یک جریان متقابل از هوای داغ تغذیه می­شود (این هوای داغ از سوختن نفت یا گاز به دست می­آید). اولین اثری که اتفاق می­افتد این است که آب آزاد ماده خارج می­گردد و سپس آب ساختاری که به صورت شیمیایی در ترکیب وجود دارد، از دست می­رود. این فرآیندها در گستره­ی دمایی بین 180 تا 600 درجه سانتیگراد رخ می­دهد. آلومینای بدون آب اساساً به فرم آلومینای اکتیو است و مساحت سطح آن بتدریج با افزایش دما به سمت 1000 درجه سانتیگراد، کاهش می­یابد. کلسیناسیون اضافی در دماهای بالاتر از 100 درجه سانتیگراد باعث می­شود تاα -آلومینا تشکیل شود. به طور مثال تبدیل به فرم α-آلومینا می­تواند در حدود 25% باشد و مساحت سطح ویژه­ی آن نسبتاً بالا (بالاتر از 50 متر مربع بر گرم) است. که علت این مسئله تغییرات فازی آلومیناست.

 آلومینای کلسینه شده   

اگر آلومینیوم هیدروکسید در دمای بالاتر از 1100 درجه سانتی گراد حرارت داده شود و سپس تغییرات فازی آلومینا که در بالا اشاره شد، انجام شود، محصولی باقی می­ ماند که از α-آلومینا 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 فلوئور عمده­ ترین نمکی است که برای کاهش دمای تشکیل α-آلومینا 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 عمدتاً براساس میزان اکسید سدیم به سه گروه: دارای اکسید سدیم معمولی، دارای اکسید سدیم متوسط (میزان اکسید سدیم 15/0-25/0درصد وزنی) و دارای اکسید سدیم کم تقسیم ­بندی می شوند. 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 عموماً آلومینایی است که درصد اکسید سدیم آن زیر 1/0% وزنی باشد. این نوع آلومینا را می­ توان به روش­ های مختلفی مانند شستشو با اسید، افزودن کلر، افزودن بور و استفاده از ترکیبات جاذب سدیم، تولید کرد.

 آلومینای راکتیو

آلومینای راکتیو واژه­ای است که معمولاً به آلومینای با خلوص نسبتاً بالا و اندازه­ ی کریستالی کوچک (mm1>) اطلاق می­ شود. این آلومینا پس از زینتر شدن در دمای پایین بدنه­ ای با دانسیته­ ی بالا 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 دمای پخت نسبتاً پایین (حدود 1650-1550 درجه سانتیگراد) داشته باشد. این بدنه ­ها معمولاً 5/99% آلومینا دارند. این نوع آلومینا پس از پروسه­ ی خردایش و آسیاب کردن آلومینای کلسینه شده بدست می­ آید. البته کلسیناسیون این نوع آلومینا در دماهای بالاتر (1600درجه سانتی گراد و یا بالاتر) اتفاق می­ افتد. که در این حالت دانه ­ها به طور کامل به فاز α تبدیل می­ شوند. ضمناً درصد اکسید سدیم 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 نیازمند استحکام استثنایی، مقاومت به سایش، مقاومت دمایی 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 دفرمگی در دماهای بالا کمتر اتفاق می ­افتد. علاوه بر این از این نوع آلومینا در کامپوزیت­ ها، دیرگدازها و... استفاده می ­شود.

 آلومینای تابولار

آلومینای تابولار، آلومینای α است که زینتر شده یا تبلور مجدد یافته است و به این خاطر تابولار نامیده می ­شود که مورفولوژی آن شامل کریستال­ های بزرگ (mm 50-500)، پهن و ورق ه­ای 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 سانتی گراد) آلومینا در کوره­ ی محوری تولید می ­شود.

پس از کلسیناسیون، اشکال کروی از آلومینای زینتر 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 زینتر می­ شوند، در نتیجه تخلخل آن­ها پایین است. همچنین این نوع آلومینا دارای پایداری شیمیایی خوب و دیرگدازی بالا است که با توجه به این ویژگی­ ها از آن در تولید انواع دیرگداز استفاده می­ شود. در واقع مهم ­ترین کاربرد این نوع آلومینا در ساخت دیرگدازهای ریختنی و شکل دار است.

ذرات تابولار معمولاً به صورت ذرات کشیده و دارای گوشه­ های تیز است. این مسأله به خاطر رشد هگزاگونال آلومینا است 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 ویژگی­ 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

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 کوره قوس الکتریکی عبور می­ کند. گرمای تولیدی در این پروسه که حدود 2000 درجه سانتی گراد است، سبب ذوب شدن آلومینا  و یا بوکسیت (به عنوان مواد اولیه) می­ گردد

پس از آن آلومینای ذوب شده به صورت شمش­ ریخته­ گری و به مدت حداقل یک هفته سرد می­ شود. در مرحله بعدی شمش­ ها خرد و بر اساس اندازه ذرات طبقه بندی می­ شوند.

این نوع کوره دارای پوسته­ ی فولادی آبگرد است و در هر دفعه می­ تواند 20-3 تن ماده را در خود جای دهد. معمولاً برای تولید هر تن آلومینای فیوزد در کوره قوس الکتریکی 2000 کیلووات ساعت انرژی الکتریسته نیاز است. آلومینای فیوزد دارای دانسیته­ ی بالا، تخلخل پایین، نفوذپذیری پایین و دیرگدازی بالا است. به خاطر این خواص از این نوع آلومینا در تولید ساینده ­ها و دیرگدازها استفاده می­ شود. مدول یانگ این نوع آلومینا از سایر ساینده ­ها بالاتر و از SiC کم ­تر است. سه کاربرد عمده ­ی آلومینای فیوزد عبارت است از: ساینده­ ها، دیرگدازها، ساب پاشی است. اخیراً از این نوع آلومینا در صنایع کاشی کف نیز استفاده می­ شود. فرم ­های مختلفی از آلومینای فیوزد وجود دارد که عبارتند از:

WFA

آلومینای کلیسنه ماده اولیه برای تولید آلومینای ذوبی سفید است. این نوع آلومینا معمولاً شامل 35/99% Al2O3، 33/0% Na2O، 10/0% Fe2O3، 04/0% SiO2، 03/0% C است و در بین انواع آلومینای فیوزد، خالص­ترین نوع محسوب می­ شود. همچنین اکسید سدیم از مهم ­ترین ناخالصی در این نوع آلومینا به شمار می­ آید. آلومینای فیوزد سفید اساساً در صنایع دیرگداز به کار می ­رود. کاربردهای دیگر آن برای سایش آلیاژها و فولادهای عملیات حرارتی شده است. لازم به ذکر است که این نوع آلومینا برای کاربرد در ساینده­ های پوششی و همچنین برای سایش سطوح زبر و استفاده در چرخ­ های ساینده با اتصال دهنده­ های رزینی مناسب نیست. در مقابل در چرخ ­های ساینده با بایندر شیشه­ ای به کار می ­رود.

BFA

برای تهیه­ ی آلومینای فیوزد قهوه ­ای در کوره قوس الکتریکی علاوه بر بوکسیت، به منظور بالا بردن خاصیت چقرمگی و مقدار آلومینا؛ اکسید تیتانیم (TiO2) و افزودنی­ های دیگر اضافه می­ کنند. آلومینای ذوبی قهوه­ ای عموماً با دو مشخصه تولید می­ شود:1- معمولی یا تیتانا بالا که غلظت تیتانیا بین 3 تا 5/3 درصد است و 2- نیمه ترد یا تیتانیا پایین که غلظت تیتانیا در حدود 2 تا 7/2 درصد است. همچنین درصد سیلیس در نوع معمولی بالاتر است که کم­ترین حد آن 1 درصد است، در حالی که در نوع نیمه ترد، سیلیس کم­تر از 1 درصد و عموماً حدود 5/0 درصد است. کاربرد این نوع آلومینا در صنایع ساینده و به خصوص در چرخ­ های ساینده برای مواد با استحکام بالا و ساینده ­های پوشش داده شده مثل کاغذها و تسمه ­ها و دیسک ­ها برای سایش چوب و پرداخت فلزات می­ باشد. این نوع آلومینا بیش­ترین کاربرد را دارد. معمولاً برای تهیه ­ی آن یک عملیات حرارتی اضافی نیز به کار گرفته می­ شود. عملیات حرارتی سبب بالا رفتن چقرمگی در این آلومینا می ­شود. این عملیات هم می­ تواند در دمای پایین و هم در دمای بالا انجام شود. عملیات در دمای بالا سبب ایجاد رنگ مایل به آبی در دانه­ ها می­ شود. همچنین دمای پایین تمیزی و خاصیت مویینگی (کاپیلاری) سطح را بهبود می­ بخشد.

PFA

رنگ این نوع آلومیناهای ذوبی به میزان ناخالصی اکسید کروم موجود در آلومینای کلسینه شده، بستگی دارد. روش تولید آن­ها مشابه با آلومینای ذوبی سفید است و تقسیم بندی آن­ها عبارت است از:

آلومینای ذوبی صورتی با 07/0 تا 2/0 درصد Cr2O3

آلومینای ذوبی سرخ با 2/0 تا 7/0 درصد Cr2O3

آلومینای ذوبی یاقوتی با 5/1 تا 5/2 درصد Cr2O3

از نظر کاربرد، آلومینای ذوبی صورتی برتری محسوسی نسبت به آلومینای ذوبی سفید ندارد. تنها رنگ این دو متفاوت است که این امر می­ تواند باعث پنهان کردن لکه­ های ناشی از اکسید آهن که در چرخ­ های ساینده با آلومینای ذوبی سفید مشخص می­ باشند، گردد. دیده شده است که حضور 1 تا 5 درصد از اکسید کروم سبب انبساط بسیار کم ­تری در شبکه آلومینا نسبت به حضور TiO2 می­ شود. همچنین بیان شده است که با افزایش مقدار Cr2O3 میکروسختی افزایش می­ یابد تا در 25/1 درصد به مقدار بیشینه خود می­ رسد. معمولاً پودرهای با بیش از 2 تا 5/2 درصد Cr2O3 برای ساخت ساینده­ ها به کار نمی ­روند. به عبارت دیگر اضافه کردن اکسید کروم به WFA سبب بالا رفتن تافنس آن می­شود. 

علاوه بر اینکه آلومینای فیوزد قرمز نسبت به PFA اکسید کروم بیش­تری دارد؛ همچنین مقدار کمی نیز اکسید سیلیسیم، اکسید آهن، اکسید سدیم، اکسید کلسیم و اکسید منیزیم نیز دارد و همچنین تافنس بالاتری دارد.

 آلومینای ذوبی سیاه:

ذوب بوکسیت بدون اعمال اتمسفر احیاء منجر به ایجاد یک توده ترد سیاه رنگ می ­شود. پودرهای بدست آمده از آن در اروپا در تولید ساینده ­های پوششی و در صنایع اپتیکی و نوری استفاده می ­شود. این مواد به عنوان ماده ­ای با کیفیت اندکی پایین ­تر از آلومینای ذوبی قهوه ­ای برای کاغذهای سمباده و به عنوان جایگزینی مناسب برای گارنت به کار گرفته می­ شود. اگر از بوکسیت کلسینه شده به عنوان ماده اولیه استفاده شود، انرژی مورد نیاز مشابه آلومینای ذوبی سفید خواهد بود.

مقایسه شاخص قابلیت شکنندگی برای انواع فیوزد آلومینا به صورت زیر می ­باشد:

WFA>PFA>RFA>BFA

آلومینای حباب دار

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

  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

آلومینای با خلوص بالا عموماً 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.

از نقطه نظر کاربردهای سایندگی آلومینا به انواع زیر تقسیم بندی می شود:

 

  • آلومینای معمولی:

آلومینای معمولی پر مصرف ­ترین ماده ساینده است که ۹۴/۵٪ آن را اکسید آلومینیم خالص تشکیل می ­دهد، رنگ این ماده ساینده قهوه ­ای  است و محکم­ ترین و چقرمه ­ترین آلومینا محسوب می­ شود. آلومینای معمولی در سنگ­ زنی با ماشین­ های سنترلس گرد سابی و سنگ زنی میل لنگ بکار می­ رود. این ماده ساینده مخصوصاً در عملیات سنگ زنی نسبتاً خشن بر روی فولادهای مستحکم و چدن مالیبل آنیل شده بسیار خوب عمل می­ کند.

  • آلومینای نیمه ترد:

شبیه آلومینای معمولی است با این تفاوت که میزان ناخالصی آن کم تر است (۹۶-۹۷٪ اکسید آلومینیم خالص است) از این ماده ساینده در سنگ ­زنی ظریف فولادهای سخت استفاده می ­شود. به هنگام سنگ­ زنی نسبت به اکسید آلومینیوم معمولی خنک ­تر کار می ­کند به همین دلیل برای سنگ زنی تخت مناسب است، زیرا در این عملیات تماس زیادی بین سنگ سنباده و قطعه کار بوجود می ­آید.

  • آلومینای سفید:

خالص­ ترین ماده ساینده است و حدود ۹۹/۵٪ اکسید آلومینیم خالص دارد. رنگ این ماده ساینده سفید و خیلی ترد و شکننده است­. با افزودن موادی مانند­: سنگ معدنی کرم می ­توان این ماده ساینده را به رنگ ­های صورتی و قرمز تولید نمود. در کارگاه­ های ابزار سازی و برای سنگ زنی فولادهای بسیار سخت­، ابزارهای سخت و حساس به حرارت و فولادهای ابزار بکار می ­رود.

  • آلومینای خشن تراش:

 

ساختار ریز دانه کریستال ­های آن باعث می ­شود چقرمگی بیش ­تری از خود نشان داده و بدون آن که دانه ­های سازنده از بدنه سنگ سنباده جدا شود لبه­ های هر دانه به مرور شکسته شده و لبه­ های برشی جدیدی پدید آید. این نوع آلومینا در عملیات سنگ زنی که فشار زیادی به سنگ وارد می ­شود؛ بکار می ­رود. مثل عملیات زائده برداری قطعات ریخته گری شده.

 

 

کشورهای تولید کننده آلومینا

فهرست کشورهای تولید کننده اکسید آلومینیوم بر اساس بررسی «زمین شناسی بریتانیا» در ژوئن ۲۰۰۸ منتشر شده‌ است که خلاصه آن در جدول زیر آورده شده است.

مجتمع تولید آلومینای ایران در شهرستان جاجرم واقع در ناحیه شمال غربی استان خراسان (در فاصله تقریبی 175کیلومتری جنوب غربی شهرستان بجنورد، 160 کیلومتری شمال غربی شهرستان سبزوار و 194کیلومتری شمال شرقی شاهرود) در حاشیه شمالی کویر قرار دارد. مساحت کلی این مجتمع 400هکتار و مساحت بخش صنعتی آن 75 هکتار می‌ باشد.

 

 

 

رتبه

کشور

میزان تولید (تن)

رتبه

کشور

میزان تولید (تن)

۱

استرالیا

۱۸٬۳۱۲٬۰۰۰

۱۴

اسپانیا

۱٬۴۰۰٬۰۰۰

۲

چین

۱۳٬۶۹۶٬۰۰۰

15

آلمان

۸۳۰٬۰۰۰

۳

برزیل

۶٬۷۲۰٬۲۰۰

۱6

ژاپن

۷۸۰٬۰۰۰

۴

ایالات متحده

۵٬۰۱۲٬۰۰۰

۱7

رومانی

۶۲۱٬۹۷۳

۵

جامائیکا

۴٬۰۹۹٬۵۴۸

۱8

گینه

۵۵۵٬۰۰۰

۶

روسیه

۳٬۲۶۵٬۲۵۰

19

یونان

۵۱۰٬۰۰۰

۷

هندوستان

۳٬۰۸۰٬۰۰۰

20

فرانسه

۵۰۰٬۰۰۰

۸

سورینام

۲٬۱۵۱٬۱۴۸

۲۱

جمهوری آذربایجان

۳۵۲٬۶۶۵

۹

ونزوئلا

۱٬۹۲۰٬۰۰۰

۲۲

مجارستان

۳۰۰٬۰۰۰

۱۰

ایرلند

۱٬۸۰۰٬۰۰۰

۲۳

مونته نگرو

۲۳۶٬۷۴۰

۱۱

اوکراین

۱٬۶۷۱٬۶۲۰

۲۴

ترکیه

۱۴۰٬۰۸۹

۱۲

قزاقستان

۱٬۵۱۴٬۵۰۹

۲۵

ایران

۱۳۰٬۰۰۰

۱۳

کانادا

۱٬۴۷۶٬۹۵۹

 

 

 

 
 
 
 

 کاربردهای آلومینا

آلومينا در زمينه­ هاي مختلف صنعتي کاربرد دارد. در ادامه اشاره­ اي به برخي از کاربردهاي آن داريم:

ديرگدازها

صنعت ديرگداز وظيفه­ ي ساخت قطعات يا مواد ديرگداز مصرفي در ساير صنايع را بر عهده دارد. معمولاً کاربرد ديرگدازها از دماي بالاتر از 400-500 درجه سانتی گراد مطرح هستند و از اين دما به بالا کم کم شرايط سخت مي­ شود. در شرايط کاري سخت مانند صنعت فولاد سازي، توليد محصول در شرايطي همچون فرآيند کربن زدایي، کوره بلند، تانديش ­هاي مختلف انجام مي­ شود. در اين صنايع کوره­ هاي مختلف و پاتيل­ هاي فراواني استفاده مي­ شوند. از اين رو تنوع مواد ديرگداز مصرفي در اين بخش­ ها زياد است. مذاب­ هاي عبوري از اين ديرگدازها داراي دمايي در محدوده­ ي 1550-1600 درجه سانتي گراد هستند که در اين شرايط خوردگي به علت تلاطمات مذاب بالاست. بنابراين نسوزهاي مورد استفاده در اين بخش­ ها بسيار خاص و حساس هستند. اين ديرگدازها بايد مقاومت به خوردگي، شوک پذيري، مقاومت حرارتي و دوام مناسبي داشته باشند. اگرچه مواد ديرگداز مصرفي در برخي صنايع مانند صنعت فولاد و شيشه سازي موادي با دوام هستند ولي به خاطر شرايط سخت کاري سريعاً فرسوده مي­ شوند و نياز به تعمير و جايگزيني دارند.

از آلومينا مي ­توان در ساخت نسوزهاي شکل­ دار و بي­ شکل استفاده کرد. انواع مختلفي از نسوزها که بر پايه­ ي آلومينا توليد مي ­شوند عبارت اند از: آجرهاي آلومينايي، کامپوزيت­ هاي آلومينايي، ديرگدازهاي آلومينا- مولايت، ديرگدازهاي آلومينا-اسپينل، ديرگدازهاي آلومينا- گرافيت. در کنار آلومينا مي­ توان فازهاي ديگري مانند مولايت و اسپنيل را داشته باشيمدر واقع آلومينا مقاومت به خوردگي خوبي دارد اما در برابر مذاب و سرباره به سرعت خورده مي ­شود از اين رو براي افزايش مقاومت به خوردگي آن از مواد کربني استفاده مي ­شود. مواد کربني مانند کک، قير و گرانيت به صورت کامپوزيت با آلومينا استفاده مي شوند. نسوزهاي آلومينا-گرانيت به خاطر پديد آمدن خاصيت عدم تر شوندگي خواص مقاومتي در برابر خوردگي خوبي دارند. آلومينا شوک پذيري خوبي ندارد درواقع شوک پذيري آن در حد متوسط است. براي افزايش مقاومت در برابر شوک حرارتي مي توانيم از فازهاي ديگر (به شکل کامپوزيت) در آلومينا استفاده کنيم. مثلاً افزودن مولايت به آلومينا باعث بهبود خواص شوک ­پذيري آن مي ­شود. براي بهبود خاصيت مقاومتي آلومينا در برابر شوک­ پذيري ماده مکانيزم داريم. يکي آنکه ماده ­اي به آلومنيا اضافه کنيم که ضريب انبساط آن از ضريب انبساط حرارتي آلومينا پايين­ تر باشد در نتيجه کامپوزيت حاصل ضريب انبساط حرارتي پايين­ تر و در نتيجه مقاومت در برابر شوک حرارتي بهتري داشته باشد. مکانيزم ديگر اين است که ماده­ اي به آلومينا اضافه کنيم که رسانايي گرمايي کامپوزيت حاصله از رسانايي گرمايي آلومينا بيش­تر باشد. در نتيجه اين مسئله باعث بهبود مقاومت به شوک­ پذيري مي­ شود. مثلاً افزودن کربن باعث افزايش رسانايي گرمايي کامپوزيت آلومينا- گرافيت مي­ شود. البته توليد کامپوزيت­ هاي آلومينا-گرافيت نيز مشکلات خاص خود رادارد. زيرا پخت آن ­ها بايد در اتمسفر خنثي انجام شود و ازاين رو هزينه­ ي توليد بالا مي رود. ضمناً اين بدنه­ ها نيازمند بايندرهاي خاصي دارند که بتوانند اتصالي مناسب ميان آلومينا و کربن برقرار کند. از اين رو قيمت اين گونه کامپوزيت­ ها بالا است و براي همين مسأله در کاربردهاي ويژه از آن­ها استفاده مي ­شود. مثلاً از کامپوزيت ­هاي گرانيت-آلومينا در ساخت دريچه­ هاي کشويي پاتيل­ ها استفاده مي­ شود.

 

ساينده ­ها

همان طور که قبلاً اشاره شد آلومينا داراي سختي بالايي است. در مقياس موس عدد 9 به آلومينا تعلق دارد و در واقع پس از الماس که سختي آن 10 است، قرار دارد. به خاطر سختي بالاي اين ماده از آن در توليد ابزارهاي برنده و ساينده­ ها استفاده مي­ شود. همچنين گلوله­ هاي مورد استفاده در بال ميل نيز گاهاً از جنس آلومينا هستند.

کاربردهاي الکتريکي

آلومينا استحکام دي الکتريک بالايي دارد و مي­ تواند به عنوان پايه مدار، عايق شمع اتومبيل، پوشش لامپ ­هاي بخار سديم از آن استفاده کرد. کاربرد آلومينا در مدارات با فرکانس بالا اهميت پيدا مي­ کند. در واقع گرماي پديد آمده دراين مدارات مي­ تواند مواد متداول مانند پلاستيک را ذوب کرده و تنها مواد سراميکي هستند که مي­ توانند در اين شرايط تحمل داشته باشند.

 

کاربردهاي بيومتريالي

آلومينا از لحاظ شيميايي يک اکسيد آمفوتر و خنثي است. به خاطر وجود اين ويژگي، آلومينا مقاومت به خوردگي مناسبي دارد. محيط بدن موجودات زنده محيطي خورنده است و درصورت عدم تناسب ميان يک ایمپلنت و بدن، بدن آن را دفع مي­ کند. اين دفع کردن به همراه تحريک سيستم دفاعي بدن بر عليه ماده ­ي خارجي است از اين رو نوع ماده ­ي مورد استفاده در ساخت امپلنت و پروتز بسيار مهم مي ­باشد. آلومينا داراي دو ويژگي است که توانسته خود را به عنوان يک ماده­ ي زيست سازگار پذير مطرح کند. اين دو ويژگي عبارتند از:

1- آلومينا از لحاظ شيميايي خنثي است.

2-آلومينا با محيط بدن سازگاري دارد.

از اين رو آلومينا مي­ تواند کاربردهاي بيومتريالي خوبي داشته باشد. البته آلومينا نيز مانند ساير سراميک ­ها ماده­ اي ترد است و استحکام کششي آن پايين است. از اين رو در هنگام استفاده از سراميک­ ها (آلومينا) در ساخت پروتزها با مشکل ابعادي روبرو هستيم. در واقع نمي­ توانيم هر قطعه ­اي با هر ابعادي را از جنس سراميکي تهيه کنيم. به صورت کلي اگر قطعه ­ي ما کوچک باشد مانند دندان و يا استخوان­هاي کوچک ما مي­ توانيم از سراميک استفاده کنيم اما اگر استخوان ما برزگ باشد استخوان ران يا ساق پا ديگر نمي­ توانيم از سراميک در ساخت آن استفاده کنيم.

از پوشش ­هاي آلومينايي براي بهبود خواص سطحي ایمپلنت­ ها و پروتزهاي فلزي استفاده مي­ شود. در واقع فلزات مواد زيست سازگاري نيستند که با افزوده شدن پوشش آلومينايي اين مشکل برطرف شود. به خاطر خواص سايشي مناسب آلومينا از آن در توليد مفاصل سراميکي بهره گرفته مي­ شود. امروزه بسياري از افرادي که تصادف کرده اند، راه رفتن دوباره­ ي خود را مديون اين مفاصل سراميکي هستند.

 

کاربردهاي ويژه

علاوه بر کاربردهاي گسترده ­اي که در مورد آلومينا گفتيم، برخي از کاربردهاي آلومينا خاص هستند. مثلاً در سيستم­ هاي صنعتي که مايعات با دماي بالا در حال انتقال هستند ما نياز به واشرها و درزگيرهايي هستيم که نمي­ توان آن­ ها را از جنس لاستيک تهيه کرد. اين نوع واشرها از جنس آلومينايي هستند. همچنين کاشي ­هاي مورد استفاده در شاتل­ هاي فضايي از جنس آلومينا هستند. آلومينا به خاطر خواص زير براي ساخت کاشي­ هاي شاتل فضايي مناسب است:

1-    نقطه ­ي ذوب بالا

2-    مقاومت به سايش خوب

3-    استحکام مناسبي

شاتل­ هاي فضايي در هنگام گذر از جو زمين بايد بر اصطکاک جو غلبه کنند در اين ميان علاوه بر اصطکاک، دما نيز بالاست. از اين رو نياز است تا سطح شاتل فضايي به طور مناسبي عايق کاري گردد. آلومينا گزينه­ ي مناسبي براي اين کاربرد است. در يک شاتل فضايي حدود 30000 کاشي استفاده شده است.