Alumiiniumoksiidi keraamilise materjali potentsiaali avamine
Alumiiniumoksiidkeraamika on muutunud paljude tänapäevaste tehnoloogiliste rakenduste asendamatuks osaks. Selle kõvadus, termiline stabiilsus, elektrilised isolatsiooniomadused ja korrosioonikindlus aitavad suurendada tööstuse tootlikkust, toetades samal ajal ülemaailmseid jätkusuutlikkuse algatusi.
Kuigi alumiiniumoksiidkeraamikal on muljetavaldavad omadused, muudab nende rabedus need pingete all kergesti pragunevaks. Lisades nende koostisesse metalle, millel on rohkem valentselektrone, on teadlased leidnud viisi, kuidas muuta need materjalid tugevamaks ja pragunemisele vastupidavamaks.
Kõvadus
Alumiiniumoksiidkeraamika paistab silma ühe oma kõige muljetavaldavama omadusena – see on peaaegu kolm korda kõvem kui roostevaba teras ja neli korda kõvem kui ränikarbiid. See muljetavaldav kõvadus teeb selle materjali ideaalseks metallide lõikamiseks, lihvimiseks ja freesimiseks.
Alumiiniumoksiidi suur kõvadus on samuti üks põhjustest, miks seda kasutatakse laialdaselt meditsiinis, eriti ortopeedilistes liigestes, metallimplantaatide alternatiivina. Meditsiinilise kvaliteediga alumiiniumoksiid on poorivaba ja omab äärmiselt peent terastruktuuri kitsa jaotusega, mis aitab vältida staatilist väsimust ning aeglast pragude levikut koormuse all.
Alumiiniumoksiidkeraamil on palju rakendusi peale kõrgel temperatuuril töötavate mootorite või turbiinide soojusbarjäärikatteid, samuti kasutatakse seda suurepärase isolatsioonimaterjalina keevitamise või kuumtöötlemise ajal.
Korrosioonikindlus
Alumiiniumoksiidkeraamikal on silmapaistev korrosioonikindlus, mis teeb sellest paljudes tööstusrakendustes hindamatu materjali. Tänu oma vastupidavusele happelistele ja leeliselistele lahustele valitakse alumiiniumoksiidkeraamikat sageli nõudlikes keskkondades ja uute tehnoloogiate rakendamisel.
Keraamiliste materjalide korrosioonikindlus sõltub nende mikrostruktuurist ja puhtusest. Lisaks mõjutavad seda agressiivsed keskkonnatingimused ning ümbritseva õhu temperatuur; seetõttu segatakse alumiiniumoksiidi sageli teiste materjalidega, et muuta selle omadusi; see võib parandada korrosioonikindlust happelistes ja leeliselistes keskkondades ning samuti parandada mehaanilisi omadusi.
Käesoleva uurimistöö eesmärk on uurida koostise mõju alumiiniumoksiidipõhise keraamika keemilisele vastupidavusele, millele on trükitud erineva kontsentratsiooniga korundit (a-Al₂O₃) või mulliiti (3Al₂O₃·2SiO₂). Hindamiseks kasutati selliseid iseloomustusmeetodeid nagu röntgendifraktsioon (XRD) ja ICP-MS-analüüs, eelkõige seoses nende keemilise vastupidavusega happeliste ja aluseliste keskkondade suhtes. Lisaks kasutati mitmeid meetodeid, nagu röntgendifraktsioon (XRD) ja ICP-MS-analüüs, näivporoosuse, mahumassi kadu ning näiv poorus, näiv poorus, näiv poorus/mahumassi/massi kadu suhe keraamilistel materjalidel, mis on trükitud erinevate kontsentratsioonidega korundit a-Al₂O₃ või mulliiti 3Al₂O₃2SiO₂, näiteks nende vastupidavus hapete ja leeliste suhtes. Kõrgem sisaldus suurendab vastupidavust, samas kui veelgi kõrgem sisaldus suurendab vastupidavust hapete ja leeliste suhtes veelgi enam.
Termiline stabiilsus
Alumiiniumoksiidkeraamikal on kõrge termiline stabiilsus, mis tähendab, et see talub temperatuurikõikumisi, kaotamata oma algset kuju ega muutumata. Seetõttu võib alumiiniumoksiidkeraamika olla hindamatu valik elektriliste komponentide jaoks, mis peavad soojust kiiresti hajutama.
Alumiiniumoksiidil on erakordselt madal paisumistegur, mis tähendab, et temperatuuri kõikumiste mõjul ei paisu ega kahaneb see teiste materjalidega võrreldes nii kiiresti, aidates seeläbi vältida pragunemist ja materjali omaduste moonutumist. See omadus teeb alumiiniumoksiidist ideaalse valiku pragunemiskindlate katete valmistamiseks.
Alumiiniumoksiidil on muljetavaldavad mehaanilised ja keemilised vastupidavusomadused, mis teevad sellest suurepärase materjalivaliku paljudeks tööstuslikeks rakendusteks. See talub happe- ja leelislahuseid lagunemata, mistõttu on alumiiniumoksiid suurepärane valik.
Uuringutes on uuritud erinevate muutujate – temperatuuri, aja ja korrosioonilahuste kontsentratsiooni – mõju alumiiniumoksiidkeraamika korrosioonikäitumisele. Wu jt leidsid, et La₂O₃-d sisaldavad paagutatud materjalid olid happelises keskkonnas stabiilsemad; see viitab sellele, et teiste elementide lisamine alumiiniumoksiidile võib suurendada selle happekindlust.
Elektriline stabiilsus
Alumiiniumoksiidkeraamika muljetavaldavate omaduste hulka kuuluvad kõvadus, termiline stabiilsus, elektriline isolatsioon ja keemiline vastupidavus – omadused, mis on muutunud paljudes tehnoloogilistes rakendustes hädavajalikuks. Seetõttu on see muutunud eelistatud materjaliks selliste komponentide tootmisel nagu keraamika-metalli jootetud konstruktsioonid, isolaatorid, pihustid ja süüteküünalde isolaatorid, samuti keemiatööstuses kasutatavad tiiglid.
Termiliselt stabiilsed ja elektrit isoleerivad materjalid tagavad termilise stabiilsuse kõrgetel temperatuuridel, piirates samal ajal elektrivoolu voolu, vähendades seeläbi energiakadu. See omadus muudab need materjalid eriti väärtuslikuks kõrgemal pingel töötavates süsteemides, kaitstes võimaliku võimsuse kadu eest ja hoides ära ohtliku voolu lekke.
Lisaks muudab alumiiniumoksiidist valmistatud kõrgtehnoloogiline keraamika oma bioloogilise sobivuse tõttu ideaalseks materjaliks meditsiinilistes rakendustes; seda saab implanteerida luukudedesse ilma, et tekiks metallimplantaatidega seotud lagunemist ja põletikku. Alumiiniumoksiidist kõrgtehnoloogilist keraamikat saab toota erinevates kujudes ja suurustes, kasutades kuivpressimist, isostaatilist pressimist või süstimisvormimist; siiski on additiivne tootmine (AM) tõestanud oma tõhusust keerukate kujude tootmisel, millel on suurem tihedus ja vähem defekte [3], võimaldades disaineritel uusi disainilahendusi kiiremini ellu viia ning samal ajal tootmisaega oluliselt lühendada [4.].
Keemiline stabiilsus
Alumiiniumoksiid on erakordsete omadustega tehniline keraamika, mis on loodud taluma isegi kõige karmimaid töökeskkonna tingimusi. Tänu oma äärmisele kõvadusele talub see märkimisväärset mehaanilist koormust, samas kui keemiline inertsus tagab vastupidavuse enamiku keemiliste mõjude suhtes.
Musta alumiiniumoksiidi toorainet kaevandatakse maapõuest keeruka kaevandamisprotsessi käigus ning jahvatatakse peeneks pulbriks, enne kui seda segatakse sideainega edasiseks vormimiseks, näiteks pressimise, ekstrusiooni või libavormimise tehnikate abil. Kui materjal on nende meetoditega vormitud, läbib see kõrgel temperatuuril põletamise, mida nimetatakse paagutamiseks, mille käigus selle koostisosaks olevad alumiiniumoksiidi osakesed sulavad kokku tihedateks keraamilisteks kehadeks, mis muutuvad meie maailmas püsivateks esemeteks.
Paagutamine võimaldab meil lisada elemente, mis parandavad alumiiniumoksiidkeraamika teatud soovitud omadusi, nagu näiteks kõvadust või termilise šoki vastupidavust. Mangaanoksiid võib suurendada kõvadust, samas kui ränidioksiid suurendab termilise šoki vastupidavust; see võimaldab meil kohandada keraamilisi materjale spetsiaalselt konkreetseteks rakendusteks, nagu näiteks naftapuuraukudes kasutatav kõrgsurve-tugimaterjal, mis nõuab väga madalat happes lahustuvust (alla 7%); La₂O₃ aitab tekitada korundi (a-Al₂O₃) ja mulliidi (3Al₂O₃·2SiO₂) faase, mis parandavad oluliselt happekindlust.