Otključavanje potencijala keramičkog materijala od alumine

Keramika od aluminijeve oksidne glinice postala je neizostavna komponenta mnogih suvremenih tehnoloških primjena. Njena tvrdoća, toplinska stabilnost, električne izolacijske osobine i otpornost na koroziju pomažu poboljšati industrijsku produktivnost, istovremeno podržavajući globalne inicijative za održivost.

Iako aluminijske keramike imaju impresivne performanse, njihova krhkost ih čini podložnima pucanju pod naprezanjem. Dodavanjem metala s više valentnih elektrona u njihovu strukturu, istraživači su otkrili način da ove materijale učine čvršćima i otpornijima na pucanje.

Tvrdoća

Aluminijska keramika ističe se svojom impresivnom svojstvenom tvrdoće: gotovo je tri puta tvrđa od nehrđajućeg čelika i četiri puta tvrđa od silicijevog karbida – impozantna tvrdoća koja je čini idealnom za rezanje, brušenje i glodanje metala.

Visoka tvrdoća alumine također je jedan od razloga zbog kojih je našla široku primjenu u medicini, osobito u ortopedskim zglobovima, kao alternativa metalnim implantatima. Medicinska alumina je bez poroznosti i odlikuje se izuzetno finom zrnastom strukturom s uskom raspodjelom, što pomaže spriječiti statički zamor materijala kao i spor rast pukotina pod opterećenjem.

Keramika od aluminije ima brojne primjene izvan termorezistentnih premaza za motore ili turbine koje rade na visokim temperaturama, a također se koristi kao izvrstan izolator tijekom zavarivanja ili toplinske obrade.

Otpornost na koroziju

Keramika od alumine ima izvanredan profil otpornosti na koroziju, što je čini neprocjenjivim materijalom u mnogim industrijskim primjenama. Zbog svoje sposobnosti otpora kiselim i lužnatim otopinama, keramika od alumine često se bira u zahtjevnim okruženjima i novim tehnologijama.

Otpornost keramičkih materijala na koroziju ovisi o njihovoj mikrostrukturi i čistoći. Nadalje, na nju utječu agresivni uvjeti medija kao i temperatura okoline; iz tog razloga se alumina često miješa s drugim materijalima kako bi se izmijenila njezina svojstva; time se može poboljšati otpornost na koroziju u kiselim i alkalnim okruženjima, kao i poboljšati mehanička svojstva.

Ovo istraživanje ima za cilj ispitati utjecaj sastava na kemijsku otpornost keramike na bazi alumine otisnute s različitim koncentracijama korunda (α-Al2O3) ili mulita (3Al2O3·2SiO2). Za procjenu su korištene karakterizacijske tehnike poput rendgenske difrakcije (XRD) i ICP-MS analize, posebice u pogledu njihove otpornosti na kisela i lužnata sredstva. Nadalje, primijenjene su različite tehnike poput rendgenske difrakcije (XRD) i ICP-MS analize za mjerenje stvarne poroznosti, zapreminske gustoće, gubitka mase te omjera stvarne poroznosti/zapreminske gustoće/gubitka mase na keramici ispisanoj različitim koncentracijama korunda a-Al2O3 ili mulita 3Al2O32SiO2, kao i njihove otpornosti na kisela i alkalna medija. Visok udio povećava otpornost, a viši udio dodatno povećava otpornost na kisela i lužnata sredstva.

Termalna stabilnost

Aluminijska keramika odlikuje se visokom toplinskom stabilnošću, što znači da može podnijeti temperaturne promjene bez gubitka izvornog oblika ili deformacije. To može učiniti aluminijsku keramiku neprocjenjivim izborom za električne komponente koje moraju brzo raspršiti toplinu.

Alumina se može pohvaliti iznimno niskim koeficijentom toplinskog širenja, što znači da se pri izlaganju temperaturnim oscilacijama ne širi niti se skuplja tako brzo kao drugi materijali, pomažući spriječiti pucanje i deformacije svojstava materijala. Ova značajka čini aluminu idealnim kandidatom za primjenu u premazima otpornim na pucanje.

Alumina se može pohvaliti impresivnim mehaničkim i kemijskim otpornostima, što je čini izvrsnim materijalom za mnoge industrijske primjene. Može izdržati kisela i lužnata otopina bez razgradnje, što aluminu čini izvrsnom opcijom.

Istraživanja su ispitala utjecaj različitih varijabli – temperature, vremena i koncentracije korozivnih otopina – na koroziono ponašanje keramike od alumine. Wu i sur. otkrili su da sinteri s La2O3 pokazuju veću stabilnost u kiselom mediju, što sugerira da bi dodavanje drugih elemenata u aluminu moglo poboljšati njezinu otpornost na kiseline.

Električna stabilnost

Impresivna svojstva aluminijske keramike uključuju tvrdoću, toplinsku stabilnost, električnu izolaciju i kemijsku otpornost – kvalitete koje su postale ključne u mnogim tehnološkim primjenama. Stoga je postala materijal izbora za proizvodnju komponenti poput sklopova za lemljenje keramike na metal, izolatora, mlaznica i izolacijskih cijevi za svjećice, kao i kotlića koji se koriste u kemijskoj obradi.

Termalno stabilni i električno izolacijski materijali osiguravaju toplinsku stabilnost pri visokim temperaturama, istovremeno ograničavajući protok električne struje i time minimizirajući gubitak energije. Ova značajka čini ove materijale osobito vrijednima u sustavima koji rade na višim naponima, štiteći od mogućeg curenja snage i opasnog curenja struje.

Osim toga, njezina biorazgradivost čini aluminu naprednom keramikom idealnim materijalom za medicinsku primjenu; može se ugrađivati u koštano tkivo bez razgradnje i upale povezane s metalnim implantatima. Napredna keramika od alumine može se proizvoditi u različitim oblicima i veličinama primjenom suhog prešanja, izostatskog prešanja ili tehnika injekcijskog oblikovanja; međutim, aditivna proizvodnja (AM) dokazala je svoju učinkovitost u proizvodnji složenih oblika s većom gustoćom i manjim brojem nedostataka [3], omogućujući dizajnerima brže ostvarenje novih dizajna uz značajno skraćivanje vremena proizvodnje [4.].

Kemijska stabilnost

Alumina je inženjerska keramika izvanrednih svojstava, dizajnirana da izdrži čak i najsurovija radna okruženja. Njezina iznimna tvrdoća omogućuje joj da podnese znatna mehanička opterećenja, dok njezina kemijska inertnost osigurava otpornost na većinu kemijskih napada.

Sirovi materijali crne alumine izvlače se iz zemlje složenim postupkom ekstrakcije i melju se u fini prah prije miješanja s vezivom za daljnje oblikovanje, poput prešanja, ekstruzije ili tehnika lijevanja iz kaše. Nakon što se tim metodama oblikuju u željene oblike, prolaze kroz pečenje na visokim temperaturama, poznato kao sinteriranje, pri kojem se čestice alumine stapaju u guste keramičke tijela koja će postati trajni elementi našeg svijeta.

Sinteranje nam omogućuje dodavanje elemenata koji poboljšavaju određena poželjna svojstva aluminijske keramike, poput tvrdoće ili otpornosti na toplinski šok. Manganski oksid može povećati tvrdoću, dok silicijev dioksid povećava otpornost na toplinski šok; to nam omogućuje prilagodbu keramičkih tijela za specifične primjene, poput visokotlačnog proppanta u naftnim bušotinama koji zahtijeva vrlo nisku kiselinsku topljivost (manje od 7%); La2O3 pomaže u stvaranju faza korunda a-Al2O3 i mulita 3Al2O3·2SiO2 koje značajno poboljšavaju otpornost na kiseline.