آلومینا

سرامیکهای مهندسی اکسیدی: آلومینا

آلومیـنا
کاربردها، ساختار، فرآیند ساخت و خواص آلومینا در این مقاله بطور مختصر آمده است. پلی مورف های مختلفی از آلومینا و روابط فازی آن با دیگر اکسیدها شرح داده شده اند. خواصی نظیر: مکانیکی، حرارتی، ترمودینامیکی� � الکتریکی، نفوذی، شیمیایی و نوری بحث شده است. مقادیر کمیّ این خواص در جداول ارائه شده است. ویژگی های آلومینا حاکی از استحکام زیاد، دیرگدازی بالا، مقاوم در برابر سایش، شفافیت نوری و عایق الکتریکی می باشد. به دلیل ویژگی های نام برده شده از آلومینا، کاربردهای متداول آن: در قطعات کوره- ابزار برش- یاطاقان ها  سنگ های قیمتی و کاربردهای نوین آن: در بستر کاتالیست- لوله لامپ قوسی- پمپاژ لیزر می باشد. دیگر کاربردهای نوین آلومینا در مدارهای الکتریکی، قطعات اپتیکی و بیومتریال ها ذکر شده است. فیبرهای آلومینا برای کامپوزیت ها و اپتیک ها باید خالص، بی نقص و ارزان باشد.
1. مقدمه
آلومینا یکی از مهم ترین مواد سرامیکی که خالص آن به عنوان جزء سازنده در شیشه سرامیک ها می باشد. برخی کاربردهای آلومینا و شرح جامع بسیاری از این کاربردها در جدول(1) آمده است. همچنین مباحث وسیعی از کاربردهای آلومینا و فرآیند ساخت آن ، هم در منابع دانشگاهی و هم خلاصه ای از برخی خواص آن در جدول(2) وجود دارد. این مسائل روی عیوب و فصل مشترک ها، به خصوص مرزِدانه ها، رشد دانه و نفوذ در آلومینا متمرکز شده است. مزیت مشتق های آلومینا از گوناگونی خواص آن است. نقطه ذوب آن حدود°c2054 است و از نظر شیمیایی بسیار پایدار و واکنش ناپذیر بوده که با به کارگیری آن به عنوان اجزاء دما بالا، بستر کاتالیست و ایمپلنت های پزشکی حائز اهمیت است.
سختی، استحکام و مقاوم در برابر سایش آلومینا نسبت به دیگر اکسیدها بیشترین است و آن برای یاطاقان ها، مواد ساینده(سنباده )و ابزار برش استفاده می گردد. به دلیل بالا بودن مقاومت الکتریکی آلومینا که خالص آن به عنوان جزء سازنده در عایق ها و اجزاء الکتریکی به کار می رود، شفافیت نوری عالی دارد که با افزودن موادی چون تیتانیوم و کروم به عنوان سنگ های قیمتی(یاقوت کبود و سرخ) و پمپاژ لیزر(یاقوت سرخ) حائز اهمیت است. آلومینا به دلیل دیرگدازی بالا، عدم فعالیت شیمیایی و شفافیت نوری، کاربرد زیادی برای لامپ های خیابان ایفا می کند.
1. ساختارهای آلومینای خالص و هیدراته

کوراندوم در همه دما ها و تا حداقل فشار GPa 78 تنها فاز پایدار می باشد، که ساختار کوراندوم در شکل(1) نشان داده شده است. شامل یون های حاوی اکسیژن با کمی انحراف در شبکه هگزاگونال- فشرده(رمبوهدر ال) قرار دارد و یون های آلومینیوم دو سوم مواضع هشت وجهی در شبکه اکسیژن را اشغال می کنند. پارامترهای شبکه ی کوراندوم در جدول(2) برای یک سلول واحد هگزاگونال، شامل 12 مولکول می باشد. پارامترهای شبکه رمبوهدرال، 128/5 =a و °28/55 a = می باشد. تخلخل یونی Z از یک جامد، طبق فرمول زیر است:
Z=1-Va/V
که در آن حجم اتم ها در یک مولکول(یا سلول واحد) و حجم ویژه یا حجم کل سلول واحد می باشد.

1. دیاگرامهای فازی دوتایی تعادلی از آلومینا همراه دیگر اکسیدها
از مهم ترین دیاگرامهای فازی سرامیک و اکسید دوتایی، دیاگرام () می باشد. از ویژگی های مهم این دیاگرام، پایین بودن انحلال پذیری جامد سیلیس در آلومینا و یا آلومینا در سیلیس و تک فاز جامد پایدار میانی مولایت، که ترکیب می باشد، در دماهای بالا مقدار آلومینا را در مولایت افزایش می دهد. بر خلاف سیستم های فلزی دوتایی، که معمولا انحلال پذیری قابل ملاحظه ای از اجزاء خالص دارند و در فازهای میان فلزی محدود شده است، بعضا انحلال پذیری جامد در مولایت موجود و در بخش های پایانی کریستوبالیت و کوراندوم بسیار ناچیز است.
انحلال پذیری جامد در سیستم () کامل وجود دارد که بخش پایانی هر دو، دارای ساختار کوراندوم می باشد. همچنین تفکیک فاز زیر خط سالیدوس در این سیستم و انحلال پذیری قابل ملاحظه ای در بخش پایانی () ، () و () وجود دارد. از این رو، انحلال پذیری جامد حاصل به سبب کاتیون های سه ظرفیتی چون می توانند به جای آلومینیوم در ساختار کوراندوم جانشین شوند. متقابلا انحلال پذیری اکسیدها با دیگر کاتیون های بیش از سه ظرفیت بطور معمول کمتر است. به عنوان مثال، انحلال پذیری منیزیا در آلومینا در دمای°c1200 حدود کسر اتمی()هست. بنابراین، ترکیبات با غلظت بیش از می تواند از فازهای ثانویه حاوی در دمای °c1200 و دماهای کمتر، روی مرزِ دانه ها تشکیل شود، اما اتم های منیزیم به جای آلومینیوم در حل یا ترکیب نمی شود.
1. خواص مکانیکی
1.5. کشسـانی

آلومینا رفتار تغییر شکل نوعی جامد ترد را نشان می دهد، که کشسانی تا نقطه شکست خطی است. تغییر شکل کشسان زمانی بی درنگ رخ می دهد که تنش اعمال گردد، و وقتی کاملا برگشت پذیر خواهد بود که اعمال نیرو متوقف شود. در آزمون کشش میله ی آلومینا، که تنش با کرنش تا نقطه شکست خطی است، شیب خط منحنی تنش-کرنش را مدول یانگنامیده می شود. مقدار مدول های مختلف و نسبت پواسون از آلومینای خالص و چند بلوری متراکم در جدول(4) آمده است. این مقادیر به طور قابل ملاحظه ای بیشتر از مقادیر دیگر اکسیدها می باشد. ثوابت کشسان گوناگونی از آلومینای تک بلوری در جدول(5) ارائه شده است. چنان چه، با افزایش دما، ضریب کشسان کاهش یابد، به دلیل ازدیاد در جانشینی های اتمی دما افزایش می یابد، و در نتیجه قدرت پیوند کاهش می یابد.
سختـی
سختی یک جسم با فشار دادن یک شی نوک تیز روی آن اندازه گیری می شود و پیدا کردن میزان تغییر شکل از ابعاد کنگره ای ناشی می شود. اندازه گیری سختی بسیار آسان اما تفسیر آن دشوار می باشد. توزیع تنش توسط کنگره گذارِ پیچیده و ترک خوردگی، تغییر شکل کشسان و ناکشسان، شکستگی و تغییر شکل مومسان، همگی، اطراف کنگره امکان پذیرند. آلومینا یکی از سخت ترین اکسید ها محسوب می گردد. طبق اندازه گیری غیر خطی یک تا ده موهس، آلومینا عدد 9 و الماس 10 می باشد، با این وجود الماس حدود سه درجه از آلومینا سخت تر است. برخی از مقادیر سختی گره تقریبی برای آلومینا به عنوان تابعی از دما در جدول (9) و برای برخی از سرامیک های سخت در جدول (10) ارائه شده است. عجیب است که چنان چه با افزایش دما، سختی آلومینا خیلی بیشتر از استحکام آن کاهش می یابد.
خـزش
خزش، تغییر شکل دما بالایی از یک ماده به عنوان تابعی از زمان است. از دیگر خواص دما بالای مربوط به خزش، تنش و رهایی مدول، اصطکاک داخلی، و استراحت مرزِ دانه می باشد. نرخ خزش شدیدا با دما افزایش می باید، که اغلب با تنش اعمالی متناسب است. ریز ساختار(اندازه دانه یا تخلخل) روی نرخ خزش تأثیرگذار است. تأثیرات دیگری چون عیوب شبکه ای، استوکیومتری و محیط را می توان نام برد. در نتیجه، نرخ خزش شدیدا به طول عمر نمونه بستگی دارد و روش تجربی خاصی برای اندازه گذاری آن استفاده می شود، به طوری که فقط با نسبت کمّی معلوم از نرخ خزش برای نمونه ها با طول عمرهای یکسان و روش اندازه گذاری، می توان اعمال کرد. برخی از نرخ های خزش پیچشی اکسید های مختلف که تغییر پذیری گسترده ای از مقادیر خزش را نشان می دهند در جدول (11) قابل رویت می باشد. در مقایسه با برخی دیگر از مواد دما بالا چون مولایت()، آلومینا دارای نرخ خزش بیشتری است که گاهی اوقات کاربرد آن را در دماهای بالا (حدودا بالای °c 1200) محدود می سازد.
چقرمگی شکست
چقرمگی شکست ماده ی تردی به صورت زیر تعریف می شود :
(7) 
که در آن تنش اعمالی مورد نیاز برای انتشار یک شکاف عمیق ، و یک پارامتر هندسی می باشد که اغلب مقدار برای سرامیک ها از طول های شکاف حول کنگره سختی اندازه گیری شده است. پارامتر ماده نیست، آن به طول عمر نمونه و عوامل کنترل نشده زیادی بستگی دارد. طبق معادله گریفیت که یک ضرورت می دهد اما معیار کافی برای انتشار شکاف نیست، اساس شده است. از این رو،کمیت بسیار مهمی برای معرفی خواص مکانیکی مواد ترد نیست. اغلب برای آلومینا مقداری حدود پیداست.
1. خواص حرارتی و ترمودینامیکی
1.6. چگالی و انبساط حرارتی
چگالی آلومینا-آلفا در °c25، است که حجم ویژه آن یا در هر مولکول است. چگالی آلومیناهای دیگر در جدول(12) و ضریب انبساط حرارتیآنها در دماهای مختلف در جدول(13) آمده است. اغلب مقدار متوسطی از بالای محدوده ای از دماها قرار دارد، اما شیب امتداد در مقابل نقطه دما در دماهای مختلف روش دقیق تری برای معرفی می باشد.
رنگ آلومینا

آلومینای خالص، بی رنگ است. اگر چه، با ازدیاد یون های انتقالی فلزی به آلومینا، رنگ هایی تماشایی، سنگ های گرانقیمت و کاربردهای عملی نظیر لیزر های یاقوت سرخ، ایجاد می شود. با افزودن حدودا یک درصد به (جایگزینی یکی از صد یون با یون های)، آلومینا به یک رنگ قرمز زیبا تبدیل می شود که به عنوان یاقوت شناخته شده یکی از گران قیمت ترین سنگ هاست. رنگ قرمز از انتقال الکترون ها بین ترازهای انرژی در یاقوت حاصل می شود. همچنین، یاقوت، فلورسانس قرمز درخشان(براق) را نشان می دهد که با نور ماوراءبنفش (ان5-4 ) وشن می شود. همچنین، یاقوت چند رنگی که در نور قطبی، تغییرات رنگ به عنوان بلور یاقوت را نشان می دهد، دوران می کند.
هدایت حرارتی
هدایت حرارتی آلومینا- به صورت تک بلوری به عنوان تابعی از دما در جدول(16) آمده است. گرما میان یک جامد غیر فلزی با ارتعاشات شبکه یا فونون ها هدایت می شود. پویش آزاد میانگین فونون ها با هدایت حرارتی تعیین می شود و به دما، فعل و انفعالات فونون-فونون و پراکندگی از عیوب شبکه در جامد بستگی دارد. دماهایی در زیر حداکثر دما پایین (حدودا زیر 40 کلوین)، پویش آزاد میانگین عمدتا توسط اندازه نمونه که به دلیل پراکندگی فونون از سطوح نمونه است، تعیین می گردد. در بالای حداکثر دما، هدایت تقریبا به صورت اکسپانسیالی(ن مایی) به دلیل برهم کنش فونون ها ضعیف می شود. در دماهای بالا(حدودا بالای °c800)، پویش آزاد میانگین فونون، نظمی از فاصله شبکه ای است، و با دما ثابت می گردد. سرعت یک فونون یا موج صوت در جامدی را می توان از فرمول زیر یافت:

(8) 
که در آن ، مدول یانگ ، و دانسیته، به طوری که برای آلومینا این سرعت در دمای °c 25 ، 
103×1/10 می باشد. این نتیجه به میزان اندازه گیری شده ی 845/10 نزدیک است.

ترجمه ی کتاب Ceramic_and_Glass_Materias ls H.R. Doremu

فیروز رضائی ; ۱٢:٢٤ ‎ب.ظ ; ۱۳٩٠/٤/٦