Введение

Оксид алюминия (или оксид алюминия(III)) – химическое соединение алюминия и кислорода с химической формулой Al2O3. Это наиболее распространенный из нескольких оксидов алюминия, и конкретно идентифицируется как оксид алюминия. Обычно его называют глиноземом, а также алоксидом, алокситом или алюндумом в различных формах и применениях. В природе он встречается в своей кристаллической полиморфной фазе α Al2O3 в виде минерала корунда, разновидности которого образуют драгоценные камни рубин и сапфир. Al2O3 имеет важное значение при производстве металлического алюминия, в качестве абразива благодаря своей твердости и в качестве огнеупорного материала благодаря высокой температуре плавления.

Природное происхождение

Корунд – наиболее распространенная природная кристаллическая форма оксида алюминия. Рубины и сапфиры – это ювелирные разновидности корунда, которые приобретают свои характерные цвета благодаря незначительным примесям. Рубины получают свой характерный глубокий красный цвет и лазерные свойства благодаря следам хрома. Сапфиры бывают разных цветов, обусловленных различными другими примесями, такими как железо и титан. Крайне редкая δ-форма встречается в виде минерала дельталумита.

История

Область керамики на основе оксида алюминия имеет долгую историю. Соли алюминия широко использовались в древности и в средние века, например, в алхимии. История этой области освещена в нескольких старых учебниках. Учебник 2019 года авторства Эндрю Руйса содержит подробную хронологию истории оксида алюминия, начиная с древнейших времен и до XXI века.

Свойства

Al2O3 является электрическим изолятором, но обладает относительно высокой теплопроводностью (30 Вт/(м·К)) для керамического материала. Оксид алюминия нерастворим в воде. В наиболее распространенной кристаллической форме, известной как корунд или α-оксид алюминия, его твердость делает его пригодным для использования в качестве абразива и компонента режущего инструмента. Этот слой защищает металл от дальнейшего окисления. Толщину и свойства этого оксидного слоя можно улучшить с помощью процесса, называемого анодированием. Многие сплавы, такие как алюминиевые бронзы, используют это свойство, добавляя алюминий в состав сплава для повышения коррозионной стойкости. Оксид алюминия, образующийся при анодировании, обычно аморфен, но процессы окисления с использованием разряда, такие как плазменное электролитическое окисление, приводят к значительному содержанию кристаллического оксида алюминия в покрытии, что повышает его твердость. В 1988 году оксид алюминия был исключен из списков химических веществ Агентства по охране окружающей среды США. Оксид алюминия входит в перечень токсичных веществ EPA, если он представлен в виде волокон.

Структура

Наиболее распространенная форма кристаллического оксида алюминия известна как корунд, который является термодинамически стабильной формой. Ионы кислорода образуют почти гексагональную плотноупакованную структуру, а ионы алюминия заполняют две трети октаэдрических промежутков. Каждый центр Al3+ имеет октаэдрическую координацию. С точки зрения кристаллографии, корунд принимает тригональную решетку Браве с пространственной группой Rc (номер 167 в Международной таблице). Первичная ячейка содержит две формульные единицы оксида алюминия. Оксид алюминия также существует в других метастабильных фазах, включая кубические γ и η фазы, моноклинную θ фазу, гексагональную χ фазу, орторомбическую κ фазу и δ фазу, которая может быть тетрагональной или орторомбической. Каждая из них обладает уникальной кристаллической структурой и свойствами. Кубический γ Al2O3 имеет важные технические применения. Так называемый β Al2O3 оказался NaAl11O17. Расплавленный оксид алюминия вблизи температуры плавления примерно на 2/3 тетраэдричен (т.е. 2/3 атомов Al окружены 4 атомами кислорода), и на 1/3 – 5-координирован, с очень малым (<5%) содержанием октаэдрического AlO. Около 80% атомов кислорода разделены между тремя или более полиэдрами AlO, и большинство межполиэдральных связей – угловые, а остальные 10–20% – по ребрам. Структура расплавленной алюмины зависит от температуры, и доля 5- и 6-координированного алюминия увеличивается при охлаждении (и переохлаждении) за счет тетраэдрических единиц AlO4, приближаясь к локальным структурным организациям, наблюдаемым в аморфной алюмине.

Наполнители

Будучи достаточно химически инертным и белым, оксид алюминия – популярный наполнитель для пластмасс. Оксид алюминия – распространенный ингредиент солнцезащитных кремов и часто также входит в состав косметических средств, таких как румяна, помада и лак для ногтей.

Стекло

Многие составы стекла включают оксид алюминия в качестве ингредиента. Алюминосиликатное стекло – широко используемый тип стекла, который часто содержит от 5% до 10% глинозема.

Катализ

Оксид алюминия катализирует множество реакций, которые находят промышленное применение. В крупнейшем по масштабу применении оксид алюминия выступает катализатором в процессе Клауса для превращения отходящих газов, содержащих сероводород, в элементарную серу на нефтеперерабатывающих заводах. Он также эффективен для дегидратации спиртов с образованием алкенов. Оксид алюминия служит носителем для многих промышленных катализаторов, например, используемых в гидродесульфуризации и некоторых полимеризациях Циглера-Натты.

Очистка газа

Оксид алюминия широко используется для удаления воды из газовых потоков.

Стерение

Оксид алюминия используется благодаря своей твердости и прочности. Его природная форма, корунд, имеет показатель 9 по шкале Мооса твердости минералов (несколько ниже алмаза). Он широко применяется в качестве абразива, в том числе как значительно более дешевая замена промышленному алмазу. Многие виды наждачной бумаги содержат кристаллы оксида алюминия. Кроме того, его низкая теплоемкость и низкая теплопроводность делают его востребованным в шлифовальных операциях, особенно в отрезных инструментах. В виде порошкообразного абразивного минерала алоксита он является основным компонентом, наряду с кремнеземом, в составе "мела" для наконечников киев, используемого в бильярде. Порошок оксида алюминия применяется в некоторых наборах для полировки и ремонта царапин на CD/DVD-дисках. Его полирующие свойства также обуславливают его использование в зубной пасте. Он также используется в микродермабразии, как в аппаратных процедурах, проводимых дерматологами и косметологами, так и в качестве ручного дермального абразива, применяемого согласно инструкции производителя.

Краска

Оксид алюминия в виде хлопьев используется в красках для создания отражающих декоративных эффектов, например, в автомобильной или косметической промышленности.

Композитные волокна

Оксид алюминия применялся в ряде экспериментальных и коммерческих волокнистых материалов для высокоэффективных применений (например, Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720). Особенно пристальное внимание в последнее время привлекают нановолокна оксида алюминия, которые стали активно изучаться.

Броня

Некоторые бронежилеты используют пластины из оксида алюминия (глинозёма), как правило, в сочетании с арамидной или UHMWPE подложкой для обеспечения эффективности против большинства винтовочных угроз. Броня из оксида алюминия легко доступна гражданским лицам в юрисдикциях, где это разрешено законом, но не относится к военной категории. Она также используется для производства пуленепробиваемого стекла на основе оксида алюминия, способного выдерживать воздействие бронебойных пуль калибра .50 BMG.

Защита от абразии

Оксид алюминия может быть нанесен на алюминий в виде покрытия методом анодирования или плазменной электролитической оксидации (см. раздел "Свойства" выше). Как твердость, так и износостойкость покрытия обусловлены высокой прочностью оксида алюминия. Однако пористый слой покрытия, получаемый при традиционном анодировании постоянным током, имеет твердость в диапазоне 60–70 по шкале Rockwell C, что сопоставимо лишь с закаленными углеродистыми стальными сплавами, но значительно уступает твердости природного и синтетического корунда. В отличие от этого, при плазменной электролитической оксидации покрытие пористо только в поверхностном слое оксида, в то время как более глубокие слои оксида значительно более плотные, чем при стандартном анодировании постоянным током, и обладают более высокой кристалличностью благодаря переплавлению и уплотнению слоев оксида с образованием кластеров α-Al2O3, что обеспечивает твердость покрытия около 2000 по шкале Виккерса. Оксид алюминия используется для изготовления плиток, которые устанавливаются внутри пылеугольных трубопроводов и газоходов на угольных электростанциях для защиты участков, подверженных интенсивному износу. Эти плитки не подходят для мест, подверженных высоким ударным нагрузкам, поскольку они хрупкие и склонны к разрушению.