Разкриване на потенциала на алуминиевия керамичен материал

Алуминиевата керамика се е превърнала в незаменим компонент на много съвременни технологични приложения. Тяхната твърдост, термична стабилност, електроизолационни свойства и устойчивост на корозия спомагат за подобряване на промишлената производителност, като същевременно подкрепят глобалните инициативи за устойчивост.

Макар че алуминиевата керамика има впечатляващи експлоатационни характеристики, нейната крехкост я прави податлива на напукване при натоварване. Чрез добавяне на метали с повече валентни електрони в състава им изследователите са открили начин да направят тези материали по-твърди и по-устойчиви на напукване.

Твърдост

Алуминиевата керамика се отличава с едно от най-впечатляващите си свойства, тъй като е почти три пъти по-твърда от неръждаемата стомана и четири пъти по-твърда от силициевия карбид - внушителна твърдост, която я прави идеална за рязане, шлифоване и фрезоване на метали.

Високата твърдост на алуминия е и една от причините той да намери широко приложение в медицината, особено в ортопедичните стави, като алтернатива на металните импланти. Медицинският алуминиев оксид няма пористост и се отличава с изключително фина зърнена структура с тясно разпределение, което спомага за предотвратяване на статичната умора, както и за забавяне на растежа на пукнатините при натоварване.

Алуминиевата керамика има много приложения извън термичните бариерни покрития за двигатели или турбини, работещи при високи температури, както и се използва като отличен изолатор по време на заваряване или термична обработка.

Устойчивост на корозия

Алуминиевата керамика има изключителен профил на устойчивост на корозия, което я прави безценен материал в много промишлени приложения. Благодарение на способността си да устоява на киселинни и алкални разтвори, алуминиевата керамика често се избира във взискателни среди и нови технологии.

Корозионната устойчивост на керамичните материали зависи от тяхната микроструктура и чистота. Освен това въздействието ѝ се влияе от агресивните условия на средата, както и от температурата на околната среда; поради тази причина алуминиевият оксид често се смесва с други материали, за да се променят свойствата му; по този начин може да се подобри устойчивостта на корозия срещу киселинни и алкални среди, както и да се подобрят механичните характеристики.

Целта на това изследване е да се проучи влиянието на състава върху химическата устойчивост на керамика на основата на алуминий, отпечатана с различни концентрации на корунд a-Al2O3 или мулит 3Al2O32SiO2. За целите на оценката са използвани техники за характеризиране като рентгенова дифракция (XRD) и ICP-MS анализ, по-специално по отношение на химическата им устойчивост към киселинни и алкални среди. Освен това бяха използвани множество техники като рентгенова дифракция (XRD) и ICP-MS анализ за измерване на видимата порьозност, загубата на маса на обемна плътност, както и на видимата порьозност, видимата порьозност, съотношението видима порьозност/обемна плътност/загуба на маса на керамика, отпечатана с помощта на различни концентрации на корунд a-Al2O3 или мулит 3Al2O32SiO2, като например тяхната устойчивост срещу киселини и алкални среди. Високото съдържание повишава устойчивостта, докато по-високото съдържание увеличава още повече устойчивостта срещу киселинни и алкални среди.

Термична стабилност

Алуминиевата керамика се характеризира с висока термична стабилност, което означава, че може да издържа на температурни колебания, без да губи първоначалната си форма или да се променя. Това може да превърне алуминиевата керамика в безценен избор за електрически компоненти, които трябва бързо да разсейват топлината.

Алуминият се отличава с изключително нисък коефициент на разширение, което означава, че не се разширява или свива толкова бързо, когато е изложен на температурни колебания в сравнение с други материали, което помага да се предотврати напукване и изкривяване на свойствата на материала. Тази характеристика прави алуминиевия оксид идеален кандидат за използване в приложения за покрития, устойчиви на напукване.

Алуминият се отличава с впечатляващи свойства на механична и химическа устойчивост, което го прави отличен избор на материал за много промишлени приложения. Той може да издържа на киселинни и алкални разтвори, без да се разгражда, което прави алуминия отличен избор.

В изследванията е разгледано влиянието на различни променливи - температура, време и концентрация на корозионните разтвори - върху корозионното поведение на алуминиевата керамика. Wu et al. откриват, че агломератите с La2O3 показват по-голяма стабилност в киселинна среда; това предполага, че добавянето на други елементи към алуминиевия оксид може да повиши киселинната му устойчивост.

Електрическа стабилност

Впечатляващите свойства на алуминиевата керамика включват твърдост, термична стабилност, електрическа изолация и химическа устойчивост - качества, които са от съществено значение за много технологични приложения. Поради това тя се е превърнала в предпочитан материал за производство на компоненти като сглобки за спояване между керамика и метал, изолатори, дюзи и изолатори за запалителни свещи, както и тигли, използвани в химическата обработка.

Термостабилните и електроизолиращите материали осигуряват топлинна стабилност при високи температури, като същевременно ограничават потока на електрическия ток и по този начин свеждат до минимум загубата на енергия. Тази характеристика прави тези материали особено ценни в системи, работещи при по-високи напрежения, за да се предпазят от евентуално изтичане на енергия и да се защитят от опасно изтичане на ток.

Освен това биосъвместимостта му прави усъвършенстваната керамика с алуминиев оксид идеален материал за медицински цели; той може да се имплантира в костната тъкан, без да се разгражда и да предизвиква възпаления, свързани с металните импланти. Усъвършенстваната алуминиева керамика може да бъде произведена в различни форми и размери чрез техники на сухо пресоване, изостатично пресоване или шприцване; адитивното производство (АП) обаче е доказало своята ефективност при производството на сложни форми с по-голяма плътност и по-малко дефекти [3], което позволява на дизайнерите да реализират по-бързо нови проекти, като същевременно съкращават значително времето за производство [4].

Химическа стабилност

Алуминият е инженерна керамика с изключителни характеристики, проектирана да издържа и на най-суровите работни условия. Изключителната му твърдост му позволява да издържа на значителни механични натоварвания, а химическата му инертност гарантира, че е устойчив на повечето химически атаки.

Суровините от черен алуминий се извличат от земята чрез сложен процес на извличане и се смилат на фин прах, преди да се смесят със свързващо вещество за по-нататъшно оформяне, като например пресоване, екструдиране или техники на леене с приплъзване. След като бъдат оформени във форми чрез тези методи, те се подлагат на високотемпературно изпичане, известно като синтероване, при което съставните им частици алуминий се сливат в плътни керамични тела, които ще се превърнат в постоянни елементи в нашия свят.

Синтероването ни позволява да добавяме елементи, които подобряват определени желани характеристики на алуминиевата керамика, като например твърдост или устойчивост на термичен удар. Мангановият оксид може да повиши твърдостта, а силициевият диоксид - устойчивостта на термичен шок; това ни позволява да адаптираме керамичните тела специално за конкретни приложения, като например пропантите за високо налягане, използвани в петролни кладенци, които изискват много ниска киселинна разтворимост (по-малко от 7%); La2O3 спомага за създаването на корундови a-Al2O3 и мулитни 3Al2O32SiO2 фази, които значително подобряват киселинната устойчивост.