آلومینای خلوص بالا با خلوص 9/99 – 6/99 درصد، عمدتا توسط فرآیند بایر از بوکسیت به عنوان ماده اولیه تولید شده و در محصولات نسوز، شمع‌ها و بستر آی‌سی و غیره استفاده می‌شود. آلومینا با خلوص بالا، که دارای خلوص بیش از 99/99 درصد و دارای ذرات ریز یکنواخت است، به‌طور گسترده در لوله‌های شفاف برای لامپ‌های سدیم فشار بالا، مواد تک‌کریستالی مانند سافایر برای پوشش ساعت، ابزار سرامیکی با استحکام بالا، ساینده‌ها برای نوار مغناطیسی و مانند آن به کار می‌رود. در سال‌های اخیر، تقاضا برای آلومینای خلوص بالا، در حال گسترش است. در اين مطالعه، وضعيت فعلي و چشم‌انداز آينده فناوري توليد و توسعه کاربردهاي آلومينا با خلوص بالا توضيح داده شده است.
تکنولوژی تولید آلومینای خلوص بالا
روش‌های صنعتی زیادی برای تولید آلومینای خلوص بالا وجود دارد که در زیر به معرفی برخی از آن‌ها پرداخته شده است.
هیدرولیز آلکوکسید آلومینیوم
شکل 1 فرآیند تولید آلومینای خلوص بالا را به روش آلکوکسید آلومینیوم نشان می‌دهد. در این روش، آلکوکسید آلومینیوم با خلوص بالا از فلز آلومینیوم و الکل سنتز می‌شود و آلومینای هیدراته‌شده توسط هیدرولیز آلکوکسید تولید می‌شود و درنهایت، آلومینای خلوص بالا توسط کلسیناسیون به‌دست می‌آید.
در این روش، آلکوکسید آلومینیوم به وسیله تقطیر و یا روش‌های دیگر خالص‌سازی می‌شود. علاوه بر این، کنترل شرایط طی هیدرولیز و اجتناب از تولید آگلومره‌های سخت در طول خشک‌شدن دارای اهمیت است. از آنجایی که سرعت هیدرولیز آلکوکسید آلومینیوم بسیار سریع است، ذرات ریز آلومینای هیدراته‌شده تولید می‌شود که به‌راحتی به آگلومره‌های سخت تبدیل می‌شود.
آلفاآلومینا که یک فاز پایدار در دماهای بالا است، با کلسینه‌کردن آلومینای هیدراته‌شده (به عنوان مثال بوهمیت) از طریق γ, δ, θ Al2O3 به‌دست می‌آید. فازهای مختلف آلومینا غیر از آلفاآلومینا که فازی پایدار در دماهای بالا است، آلومینای انتقالی نامیده می‌شوند و ذرات اولیه آن ذرات فوق ریز چند ده نانومتری هستند. همان‌طورکه در مقالات قبلی گفته شد، برای تبدیل فاز انتقالی آلومینا به فاز آلفاآلومینا، به دلیل نیاز به بازآرایی یون‌های اکسیژن از ساختار مکعبی به ساختار هگزاگونال، به دماهای بالای 1200 درجه سانتیگراد نیاز است. تولید هسته‌های کریستال آلفا یک مرحله تعیین‌کننده سرعت برای انتقال فاز آلفا است و چگالی هسته‌های کریستال آلفا کم است. اما با تولید هسته‌ها، به دلیل انتقال جرم از آلومینای انتقالی اطراف، رشد ناگهانی دانه رخ می‌دهد و ذرات دندریتیک آلفاآلومینا با اندازه میکرون به‌دست می‌آیند. بنابراین، به منظور به‌دست‌آوردن ذرات آلفاآلومینای خلوص بالای ریز با توزیع اندازه ذرات یکنواخت، حذف عواملی مانند تولید ناهمگن هسته‌های آلفاآلومینا و تکمیل انتقال فاز در کمترین دمای ممکن، همچنین کنترل دقیق یکنواختی توزیع دما در طول تکلیس از اهمیت فراوانی برخوردار است.
دمای انتقال فاز آلفا به‌شدت تحت تأثیر افزودن کریستال‌های جوانه‌زا، فشار بخار آب در اتمسفر کلسیناسیون و ناخالصی‌های عنصری است. افزودن کریستال‌های جوانه‌زای آلفاآلومینا، باعث ایجاد مکان‌های کم انرژی برای تولید و رشد فاز آلفا می‌شود و مقدار آب در اتمسفر باعث افزایش نفوذ سطحی و تسریع رشد دانه در آلومینای انتقالی می‌شود. در این حین، انرژی فعال‌سازی برای انتقال فاز آلفا کاهش می‌یابد و این امر سبب کاهش دما را برای انتقال فاز آلفا می‌شود.
ذرات آلفاآلومینای خلوص بالا که با کنترل دقیق شرایط هیدرولیز، خشک‌کردن و تکلیس به‌دست می‌آیند، به صورت آگلومره هستند و پس از آن باید این آگلومره‌ها برای به‌دست‌آوردن ذرات ریز، خرد شوند. آسیاب گلوله‌ای، آسیاب ارتعاشی، جت‌میل یا انواع دیگر آسیاب برای فرآیند آگلومره‌زدایی استفاده می‌شود.
سومیتومو کمیکال، با کنترل شرایط تولید به شیوه‌ای مناسب، پودرهای آلومینای خلوص بالا را برای کاربردهای مختلف تولید کرده است. جدول 1 و شکل 2 به‌ترتیب مشخصه‌ها و تصاویر SEM ذرات آلومینای تولیدشده توسط سومیتومو کمیکال با خلوص بالا را نشان می‌دهد.
رسوب‌دهی شیمیایی بخار
این روش که روش سنتز اصلی سومیتومو کمیکال است، رشد دانه‌ها در محل از طریق فاز گاز با تکلیس آلومینای هیدراته‌شده به عنوان ماده اولیه آن، در اتمسفری خاص انجام می‌گیرد. سومی‌کوراندوم، متشکل از ذرات تک‌کریستال آلفاآلومینای خلوص بالای ساخته‌شده به روش مذکور است که دارای قطر دانه از زیرمیکرون تا چندین میکرون با شکل یکنواخت و ویژگی‌های توزیع عالی است. تصویر SEM ذرات سومی‌کوراندوم در شکل 3 نشان داده شده است.
روش‌های ساخت ذرات آلومینای خلوص بالا در مقیاس نانو
سنتز نانوذرات آلومینای خلوص بالا با توزیع یکنواخت، دشوار است زیرا اندازه ذرات می‌تواند به‌راحتی بیش از حد بزرگ شود و زینترینگ بین ذرات در دمای انتقال فاز تقریبا 1200 درجه سانتیگراد رخ دهد. تحقیقات زیادی برای غلبه بر این مشکل وجود دارد، اما نکته اصلی کاهش دمای انتقال فاز است. برای سنتز آلفاآلومینا با اندازه نانو، تلاش‌های زیادی برای کاهش دمای انتقال فاز به 1000 درجه سانتیگراد یا کمتر، با افزودن کریستال‌های بسیار کوچک مختلف به پیش‌ساز آلومینا انجام شده است. به عنوان مثال، راژندران، سنتز پودر آلفاآلومینا با اندازه ذرات 60 نانومتر یا کمتر را با تکلیس آلومینای هیدراته‌شده که حاوی کریستال‌های جوانه‌زای آلفاآلومینا و نیترات آمونیوم در دمای 950 درجه سانتیگراد است، گزارش کرده است.
در سومیتومو کمیکال، فرآیندهای صنعتی تولید آلفاآلومینای خلوص بالا با اندازه ذرات نانو با توزیع ذرات خوب و تنها چند ذره درشت آگلومره‌شده بهینه شده است. شکل 4 تصاویر TEM پودرهای آلفاآلومینای ساخته‌شده توسط سومیتومو با اندازه ذرات نانو را نشان می‌دهد. کنترل اندازه ذرات با بهینه‌سازی فرآیندها امکان‌پذیر است.
توسعه و پیشرفت کاربردهای آلومینای خلوص بالا
در سال‌های اخیر، تقاضا برای آلومینای خلوص بالا در زمینه‌های مختلف، رو به افزایش است. در زیر به پیشرفت‌های جدیدی از کاربردهای آلومینا با خلوص بالا اشاره شده است.
کاربردهای تک‌کریستال سافایر
از سافایر تولیدشده به روش برنویل، به‌طور گسترده در کاربردهایی مانند جواهرات و پوشش ساعت استفاده می‌شود. این روش به دلیل بلورینگی ضعیف، کاربردهای سافایر را محدود می‌کند. به همین دلیل از روش‌هایی مانند EFG برای افزایش بلورینگی سافایر و ایجاد بهره‌وری صنعتی آن استفاده می‌شود. سافایر تولیدشده به این روش در LEDهای با روشنایی بالا و صفحات محافظ برای پلاریزرها در پروژکتورهای کریستال مایع به کار می‌رود. شکل 5 تصاویر SEM آلفاآلومینای خلوص بالا برای تک‌کریستال سافایر را نشان می‌دهد.
کاربردهای سنسور خودرو
در سال‌های اخیر، بازار سنسورهای نسبت هوا به سوخت که در کنترل نسبت هوا به سوخت در موتورهای خودرو استفاده می‌شوند، در حال گسترش است. ترکیبی از زیرکونیای جزئی پایدارشده و زیرلایه آلومینای خلوص بالا مجهز به گرمکن برای این سنسورها پیشنهاد شده است. برای اتصال این دو ماده، انقباض در زینترینگ و ضریب انبساط حرارتی برای این مواد باید یکسان باشد. علاوه بر این، این احتمال وجود دارد که در مرز بین آن‌ها به دلیل تفاوت در انبساط حرارتی در فضای کار، ترک رخ دهد. پس لازم است که بسترهای زیرکونیای جزئی پایدارشده و آلومینای خلوص بالا دارای چگالی بالا و اندازه دانه ریز باشند، همچنین تفاوت انبساط حرارتی این دو ماده باید کم باشد.
کاربردهای نیمه‌هادی
در زمینه تجهیزات ساخت نیمه‌هادی‌ها و تجهیزات ساخت نمایشگر کریستال مایع، مقدار زیادی از آلفاآلومینای خلوص بالا با سطح بالایی از مقاومت در برابر خوردگی پلاسما استفاده می‌شود. علاوه بر این، تقاضا برای موادی جهت ایجاد پوشش‌های اسپری پلاسما از آلومینای خلوص بالا بر روی آلومینیوم، نیکل، کروم، روی و زیرکونیوم یا آلیاژهایی از این مواد، افزایش یافته است.
کاربردهای جدید پودر آلومینای بسیار ریز
از آلفاآلومینا با اندازه نانو در ساینده‌ها، سرامیک‌ها و غشاهای جداسازی استفاده می‌شود که در زیر به توضیح هر یک پرداخته شده است.
کاربردهای ساینده
آلفاآلومینای بسیار ریز برای ساینده‌های مبتنی بر سختی بالای آلومینا در افزودنی‌های نوارهای مغناطیسی و ابزارهای چسباندن و پولیش فلزات، پلاستیک‌ها و موارد مشابه کاربرد دارد.
کاربردهای سرامیک آلومینا
اگر از تجمع پودر آلفاآلومینا با اندازه نانو جلوگیری شود و تولید عیوب در بدنه خام کاهش یابد، می‌توان انتظار داشت که اجسام زینترشده با چگالی بالا با اندازه دانه‌های ریز به دست آید. پودر آلفاآلومینا با اندازه نانو به روش تر، توسط سومیتومو کمیکال ساخته شده است که با استفاده از آن بدنه زینترشده با چگالی بالا و با دمای زینتریگ 1250 درجه سانتیگراد به دست آمده است.
کاربردهای غشای جداسازی
بدنه‌های متخلخل آلفاآلومینای خلوص بالا با استفاده از مقاومت شیمیایی و مقاومت حرارتی خود در کاربردهایی مانند اولترافیلتراسیون، غشاهای جداسازی گاز استفاده می‌شوند.
بدون دیدگاه