کاشی طلایی

سرامیک آلومینای کلسینه شده (Calcined alumina)

اگر آلومینیوم هیدروکسید در دمای بالاتر از 1100 درجه سانتیگراد حرارت داده شود و سپس تغییرات فازی آلومینا که در بالا اشاره شد، انجام شود، محصولی باقی می ماند که از آلومینای α 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 فلئور عمده ترین نمکی است که برای کاهش دمای تشکیل آلومینای α استفاده می شود. آلومینای کلسینه شده در گستره ی وسیعی از کاربردهای دیرگداز و محصولات سرامیکی 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 عمدتا براساس میزان اکسید سدیم به سه گروه: دارای اکسید سدیم معمولی، دارای اکسید سدیم متوسط (میزان اکسید سدیم 0.15-0.25 درصد وزنی است) و دارای اکسید سدیم کم تقسیم بندی می شوند. 

ماده سرامیکی آلومینای با اکسید سدیم کم (low soda alumina)

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 عموما آلومینایی است که درصد اکسید سدیم آن زیر 0.1% وزنی باشد. این نوع آلومینا را می توان به روش های مختلفی مانند شستشو با اسید، افزودن کلر (chlorine addition)، افزودن بور (boron addition) و استفاده از ترکیبات جاذب سدیم، تولید کرد. 

آلومینای راکتیو (reactive alumina) 

«آلومینای راکتیو» واژه ای است که معمولا به آلومینای با خلوص نسبتا بالا و اندازه ی کریستالی کوچک (1mm>) اتلاق می شود. این آلومینا پس از زنیتر شدن بدنه ای با دانسیته ی بالا و در دمای پایین 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 در دمای پخت نسبتا پایین (حدود 1550-1650 درجه سانتیگراد) داشته باشد. این بدنه ها معمولا 99.5% آلومینا دارند. این نوع آلومینا معمولا پس از پروسه ی خردایش و آسیاب کردن آلومینای کلسینه شده بدست می آید. البته کلسیناسیون این نوع آلومینا در دماهای بالاتر (1600درجه سانتیگراد و یا بالاتر) اتفاق می افتد. که در این حالت دانه ها به طور کامل به فاز α تبدیل می شوند. ضمنا درصد اکسیدسدیم 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 ما نیازمند: استحکام استثنایی، مقاومت به سایش، مقاومت دمایی، سطح پایانی 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 دفورمگی در دماهای بالا کمتر اتفاق می افتد. علاوه بر این از این نوع آلومینا در کامپوزیت ها و دیرگدازها و... استفاده می شود. 

آلومینای تابولار (Tabular alumina)

آلومینای تابولار، آلومینای α است که زنتیر شده یا تبلور مجدد یافته است. و به خاطر این تابولار نامیده می شود که مرفولوژی آن شامل کریستال های بزرگ (50-500mm)، پهن و ورقه ای 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 سانتیگراد) آلومینا در کوره ای محوری (Shaft kilns) تولید می شود. پس از کلسیناسیون، اشکال کروی از آلومینای زنیتر 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 زنیتر می شوند، در نتیجه تخلخل آنها پایین است. همچنین این نوع آلومینا داری پایداری شیمیایی خوب، دیرگدازی بالا است. با توجه به ویژگی های آن از آن در تولید انواع دیرگداز استفاده می شود. در واقع مهمترین کاربرد این نوع آلومینا در ساخت دیرگدازهای ریختنی و شکل دار است. ذرات تابولار معمولا به صورت ذرات کشیده و دارای گوشه های تیز است. این مسأله به خاطر رشد هگزاگونال آلومیناست 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 ویژ گی 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 (Fused alumina)

فیوزد آلومینا در کوره ی قوص الکتریکی تولید می شود. نحوه ی کار این کوره بدین صورت است که جریان بزرگی از الکتریسیته از میان الکترودهای کربنی آن عبور می کند. گرمای تولیدی در این پروسه، سبب ذوب شدن آلومینا می گردد. این نوع کوره دارای پوسته ی فولادی آبگرد است و در هر دفعه می تواند 20-3 تن ماده را در خود جای دهد. آلومینای فیوزد دارای دانسیته ی بالا، تخلخل پایین، نفوذپذیری پایین و دیرگدازی بالاست. به خاطر این خواص از این نوع آلومینا در تولید ساینده ها و دیرگدازها استفاده می شود. 

آلومینای حباب دار (bubble alumina) 

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 (active alumina) 

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 (high purity alumina) 

آلومینای با خلوص بالا عموما 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

آلومينا در زمينه هاي مختلف صنعتي کاربرد دارد. در ادامه اشاره اي به برخي از کاربردهاي آن در صنعت 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 مطرح هستند. و از اين دما به بالا کم کم شرايط سخت مي شود. در شرايط کاري سخت مانند صنعت فولادسازي، توليد محصول در شرايطي همچون فرآيند کربن زدائي، کوره بلند، تانديش هاي مختلف انجام مي شود. در اين صنايع کوره هاي مختلف و پاستيل 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 بر پايه ي آلومينا توليد مي شوند براي نمونه برخي از آنها را نام مي بريم: آجرهاي آلومينايي، کامپوزيت هاي آلومينايي، ديرگدازهاي آلومينا-مولايت، ديرگدازهاي آلومينا-اسپينل، ديرگدازهاي آلومينا- گرافيت در کنار آلومينا مي توان فازهاي ديگري مانند مواد سرامیکی مولايت و اسپنيل را داشته باشيم. در 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 شک پذيري خوبي ندارد درواقع شک پذيري آن در حد متوسط است. براي افزايش مقاومت در برابر شک 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 شک 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 شک 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 شک 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. 

آلومینا در ساينده ها

آلومينا داراي سختي بالايي است. در مقياس موس عدد 9 به آلومينا تعلق دارد. در واقع در اين 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 آلومینا

آلومينا استحکام دي الکتريک بالايي دارد. و مي تواند به عنوان پايه مدار، عايق شمع اتومبيل، پوشش لامپ هاي بخار سديم از ان 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 آلومینا

 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 امپلنت 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 استخوان هاي 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 امپلنت 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   آلومینا

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 آنها 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. در واقع آلومينا به خاطر خواص زير براي ساخت کاشي هاي شاتل فضايي مناسبند:

 آلومينا نقطه ي ذوب بالايي دارد.آلومينا مقاومت به سايش خوبي دارد.
 آلومينا استحکام مناسبي دارد.

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.

نتيجه گيري

همانگونه که قبلاً بيان شد آلومينا يکي از پرمصرف ترين مواد سراميکي است. توليد ساليانه ي آلومينا حدود 45 ميليون تن است. که 90درصد از اين ميزان براي توليد فلز آلومينا (به روش الکتروليز) مصرف مي شود. اين مسئله اهميت اين ماده ي استراتژيک را براي ما مشخص مي کند. از اين رو توجه به فرآيند توليد،کاربردها و نحوه ي فراوري آن بسيار مهم مي باشد