آلومینا

استفاده ها، فرآوری، ساختار و ویژگی های آلومینا در این مقاله به طور خلاصه آورده شده است. پلیمرف های مختلف آلومینا و روابط فازی این ماده با اکسیدهای دیگر نیز توصیف شده است. ویژگی هایی مانند ویژگی های مکانیکی، گرمایی، ترمودینامیکی، الکتریکی، نفوذی، شیمیایی و نوری این ماده نیز مورد بررسی قرار گرفته است. مقادیر کمی برای این ویژگی ها نیز در جداول آورده شده است. مزیت های آلومینا عبارت است از استحکام بالا، دمای ذوب بالا، مقاومت به سایش، شفافیت نوری و مقاومت الکتریکی می باشد. استفاده های سنتی از آلومینا که به خاطر این ویژگی ها بوجود آمده است، عبارتست از تولید اجزای کوره، ابزارهای برش، یاتاقان ها و سنگ های قیمتی. کاربردهای اخیر این ماده عبارتست از تولید زیرلایه های کاتالیستی، تیوب های محافظ در لامپ های قوسی و دسته های لیزر می باشد. استفاده ی جدید و محتمل برای آلومینا استفاده از آن در مدارات الکتریکی، اجزای نوری و بیومواد است. الیاف آلومینایی برای استفاده در کاربردهای نوری باید دارای خلوص بالایی بوده و خالی از عیوب باشند. یکی دیگر از مسائلی که باید این نوع از آلومینا داشته باشد، ارزان قیمت بودن آن است.

مقدمه

آلومینا( ) یکی از مهمترین مواد سرامیکی محسوب می شود( هم در حالت خالص و هم به همراه اجزای شیشه ای). برخی استفاده ها از آلومینا در جدول 1 آورده شده است.
مزیت های آلومینا به خاطر وجود گستره ای از ویژگی های مناسب در این ماده است. این ماده دارای دمای ذوب بسیار بالایی() است و از لحاظ شیمیایی بسیار پایدار است. این ویژگی باعث می شود تا از این ماده در کاربردهایی استفاده شود که در آن نیاز به تحمل دمایی بالاست. از این ماده همچنین به عنوان پایه ی کاتالیست و امپلنت بیولوژیکی نیز استفاده می شود. سختی، استحکام و مقاومت به سایش آلومینا در بین اکسیدها، از همه بالاتر است و از این رو باعث می شود تا این ماده به عنوان ساینده، یاتاقان و ابزار برش مورد استفاده قرار گیرد. مقاومت الکتریکی آلومینا بالاست و بنابراین از نوع خالص آن به عنوان عایق ها و اجزای الکتریکی استفاده می شود. با افزودن کروم و تیتانیوم به این ماده، سنگ های قیمتی( مانند یاقوت کبود و یاقوت قرمز) و اجزای مورد استفاده در لیزرها ساخته می شود. به دلیل دمای ذوب بالای این ماده، خنثی بودن شیمیایی، شفافیت نوری، این ماده برای استفاده در لامپ های خیابانی قوسی مناسبند. جدول 1 استفاده های این ماده را نشان می دهد.
در این مقاله سعی داریم تا فرآوری آلومینا و سپس ویژگی های آن را مورد بررسی قرار دهیم. همچنین در مورد استفاده های دیگر از آلومینا نیز صحبت خواهیم کرد.

فرآوری

مواد خام

بوکسیت نام سنگ معدن است که منبع خالصی از آلومیناست. بوکسیت دارای گیبسیت و گاما آلومینیوم هیدروکسید( فاز پایدار آلومینیوم هیدروکسید در دما و فشار معمولی) است. ساختار فازهای آلومینا و آلومینیوم هیدراته در جدول 2 آورده شده است.
ذخایر بوکسیت موجود در گینه دارای کمترین ناخالصی آهن و سیلیس است بنابراین وقتی خلوص برای ما مهم باشد، این نوع بوکسیت ترجیح داده می شود. سایر منابع مهم بوکسیت در برزیل، بخش های جنوبی آمریکا، آسیای جنوب شرقی، غرب آفریقا و هند قرار دارد.

فرآوری

آلومینیوم هیدورکسیدها بوسیله ی فرایند بایر از بوکسیت جدا سازی می شوند. در این فرایند، این هیدروکسیدها در سدیم هیدورکسید حل می شوند تا بتوان آنها را از سایر اجزای ناخواسته جداسازی نمود. واکنش حل شدن در دمای و فشار 200 اتمسفر انجام می شود و واکنش های آن به صورت زیر است:


در این فرمول ها، s نشاندهنده ی حالت جامد و soln نشاندهنده ی محلول است. محلول دارای NaAl(OH)_4 از ناخالصی های جامد ناخواسته جداسازی می شود. این جدایش بوسیله ی ته نشینی و فیلتراسیون انجام می شود و مواد حل شده تا دمای ℃ 55 سرد می شوند. هیدروکسیدهای آلومینیوم از محلول رسوب دهی می شوند. این کار بوسیله ی اضافه کردن جوانه زاهای گیبسیتی انجام می شود. رسوبات خشک شده از آلومینا یا هیدروکسیدهای آلومینیوم می توانند به صورت مستقیم مورد استفاده قرار گیرند و یا بواسطه ی فرایندهای حل شدن و رسوب دهی دیگر، خالص سازی شوند.
فاز پایدار آلومینا در گستره ی همه ی دماها و فشار معمولی( یک اتمسفر) فاز کوراندوم( آلفا آلومینا) است(جدول 2). در حالت تک کریستال، کوراندوم یاقوت کبود نامیده می شود. بر اساس آزمایشات مشخص شده است که هیچ استحاله ی فازی در کوراندوم تا فشار 175 GPa رخ نمی دهد. به هر حال یک محاسبه، پیش بینی می کند که کوراندوم باید در فشارهای بالاتر از 78 GPa به ساختار تبدیل شود و در فشار 223 GPa به ساختار پروسکایت تبدیل گردد. ساختار الگوی تفرق اشعه ی ایکسی شبیه به ساختار کوراندوم دارد و بنابراین این استحاله ممکن است در مطالعات تجربی نادیده گرفته شده باشد.
آلومینای پلی کریستال جامد از پودر آلومینا و بواسطه استفاده از فرایند زینترینگ تولید شده است. روش های زینترینگ متداول برای سرامیک ها بدیت صورت است که ابتدا پودر سرامیکی شکل دهی می شود و به بدنه ی خام تبدیل می شود و سپس پخت می گردد. برای بدست آوردن بدنه های با دانسیته ی بالا از آلومینا باید این بدنه را در دماهایی بالاتر از زینترینگ کرد.
دما و زمان مورد نیاز برای ایجاد یک جامد با تخلخل مناسب، عمدتا به اندازه ی ذرات پودر آلومینا بستگی دارد. زینترینگ مناسب زینترینگی است که باعث ایجاد ویژگی های ساختاری زیر کند:

تشکیل گلویی ها میان ذرات پودر

تشکیل تخلخل باز به همراه فاز جامد پیوسته( مرحله ی میانی)
زدایش حفرات بسته که در جامد فشرده شده ایجاد شده اند.
در زینترینگ آلومینا، مرحله ی اولیه سریع است و دانسیته ی نهایی یا تخلخل عمدتا بوسیله ی مرحله ی 3 تعیین می شود.
اکسیدهای مختلف دیگری به آلومینا اضافه شده اند تا بوسیله ی آنها، تخلخل نهایی جامد زینتر شده کاهش یابد. یک یافته ی ارزشمند که بوسیله ی Coble انجام شده است، نشان می دهد که اضافه نمودن MgO به پودر آلومینای خالص موجب می شود تا آلومینا ترانسلوسنت شود( یعنی نور را به طور جزئی از خود عبور دهد( نیمه شفاف)). معمولا سرامیک های زینترشده اپک هستند زیرا در این بدنه ها نور بوسیله ی تخلخل های باقیمانده، متفرق می شود اما در آلومینای ترانسلوسنت که به آن لوکالوکس( Lucalox) می گویند، تخلخل به حدی کم است که این تفرق را کاهش می دهد و بنابراین از تیوب های لوکالوکسی برای لامپ های خیابانی استفاده می کنند. علت استفاده از این ماده این است که بتوان در دماهای کاری بالا، کار کرد.
آلومینای با دانسیته ی بالا همچنین از روش ذوب کردن نیز تولید می شود اما دمای ذوب بالای این ماده باعث شده تا این فرایند گران قیمت باشد و کنترل آن نیز مشکل باشد. مواد ارزشمندی مانند سنگ های قیمتی و بخش های مورد استفاده در لیزرها را می توان با افزودن مواد رنگزای مختلف مانند کروم، تیتانیوم، آهن، کبالت و وانادیوم به مذاب تولید نمود.
در زینترینگ پودر آلومینا، شکل مناسب قبل از خشک کردن و پخت، در نمونه ی خام ایجاد می شود. اجزای مختلف دیگری را می توان به ماده ی اولیه مورد استفاده، اضافه نمود. دانسیته ی محصول نهایی می تواند بوسیله ی استفاده از فرایند پرس گرم، افزایش داد؛ به نحوی که در این کار فرایند زینترینگ تحت فشار انجام می شود. این روش گران قیمت است و بنابراین تنها برای تولید محصولات پلی کریستال ارزشمند مورد استفاده قرار می گیرد.
دیرگدازهای آلومینایی برای کاربردهای دما بالا مانند کوره های ذوب شیشه معمولا بوسیله ی فرایند ریخته گری از حالت مذاب تولید می شوند. گستره ی وسیعی از اکسیدهای دیگر مانند سیلیس، اکسید منیزیم، اکسید کروم و اکسید زیرکونیوم به پودر آلومینا اضافه می شود تا بوسیله ی این کار دمای ذوب آن کاهش یابد و در نتیجه، این مخلوط را بتوان در کوره ی الکتریکی ذوب کرد. با ذوب کردن این ماده می توان آن را به داخل قالب هایی با شکل مورد نظر فرستاد و از قطعاتی بدست آورد که می توان از آن در کاربردهای دیرگداز استفاده کرد.

ساختارهای آلومینای خالص و هیدراته

ساختارهای آلومینای هیدراته و خالص در جدول 3 و 4 آورده شده است. تنها فاز پایدار از آلومینا، کوراندوم است. این ماده در تمام دماها و حداقل تا فشار 78 GPa پایدار است. ساختار کوراندوم در شکل 1 نشان داده شده است. این ساختار دارای یون های اکسیژن در یک شبکه ی هگزاگونال به هم فشرده است که اندکی اعوجاج پیدا کرده است. یون های آلومینیوم دو سوم از مکان های هشت وجهی بوجود آمده بوسیله ی شبکه ی اکسیژنی را به خود اختصاص داده است. پارامترهای شبکه برای کوراندوم در جدول 2 آورده شده است. این پارامترها برای یک سلول واحد هگزاگونال است که دارای 12 مولکول اکسید آلومینیوم است. پارامترهای شبکه ی هگزاگونال اعوجاج یافته( شبکه ی رومبوهدرال) عبارتست از و می باشد. تخلخل یونی( Z ) یک جامد از فرمول زیر محاسبه می شود:

که در اینجا حجم اتم ها در یک مولکول( یا یک واحد سلولی) و V حجم ویژه( یا حجم ویژه ی واحد سلولی) می باشد. برای آلومینا با در نظر گرفتن مقدار برای شعاع اکسیژن، Z=0.21 است؛ بنابراین ساختاری دارای حجم باز کمتری نسبت به حالت فشرده( ایجاد شده بوسیله ی کره های با اندازه ی یکنواخت) است.
ساختارهای شبه پایدار آلومینا همگی دارای دانسیته ی کمتری نسبت به کوراندوم هستند. برخی ساختارهای آلوتروپی دیگر نیز پیشنهاد شده اند اما نسبت به آن دسته از ساختارهای نشان داده شده در جدول 2، کمتر شناخته شده هستند. تمام این آلومیناهای شبه پایدار دارای چیدمانی از اکسیژن هستند که شبیه به ساختار مکعبی فشرده می باشد. معمولا آلومیناهای اتا و گاما در دماهای پایین تشکیل می شوند و با افزایش دما به ترتیب فازهای گاما به دلتا، دلتا به تتا، و تتا به آلفا تبدیل می شود. فاکتورهایی مانند اندازه ی ذرات، سرعت حرارت دهی، ناخالصی و اتمسفر می تواند بر روی کینتیک این استحاله و در نتیجه فازهای تشکیل شده، تأثیر داشته باشد. در بالای دمای ، تنها فاز آلفا( کوراندوم حضور دارد.
ساختار آلومیناهای هیدراته در جدول 3 آورده شده است. یک پیکربندی که برای این ساختارها پیشنهاد شده است، زنجیره هایی از پیوندهای Al-O می باشد که در بین این زنجیره ها، پیوند هیدروژنی قرار دارد. این آلومیناهای هیدراته در دمای پایین تجزیه می شوند( در حدود
) و آب و اکسید آلومینیوم تولید می شود.

دیاگرام های دوتایی تعادل فازی برای آلومینا و سایر اکسیدها

مهمترین دیاگرام فازی سرامیکی دوتایی در این زمینه دیاگرام فازی آلومینا- سیلیس است که در شکل 2 نشان داده شده است. ویژگی های مهم در این دیاگرام حلالیت بسیار اندک سیلیس در آلومینا در فاز جامد، حلالیت اندک آلومینا در سیلیس در فاز جامد و فاز جامد میانی مولایت است که دارای ترکیب شیمیایی 3
. در دماهای بالاتر، مقدار آلومینا در مولایت افزایش می یابد. برخلاف سیستم های فلزی دوتایی که معمولا دارای حلالیت فاز جامد در اجزای خالص بالا می باشد و ترکیبات بین فلزی حاصله از آنها دارای محدودیت حل شدن هستند، در مولایت، حلالیت حالت جامد محدود است و این حلالیت در اجزای پایانی سیلیس( کریستوبالیت) و آلومینا( کوراندوم) پایین است.
حلالیت در حالت جامد در سیستم کامل است( حتی در اعضای انتهایی که دارای ساختار کوراندوم هستند). همچنین حلالیت در حالت جامد در اعضای انتهایی اکسیدها در سیستم های نیز قابل توجه است. بنابراین حلالیت در حالت جامد ایجاد می شود که علت آن این است که یون های سه ظرفیتی Cr، Fe، Y و Ga می توانند جایگزین آلومینیوم وارد ساختار کوراندوم شوند و آلومینیوم نیز می تواند در این اکسیدها جایگزین شود. به طور مشابه، حلالیت اکسیدهای با ظرفیت کاتیونی آنها 3 نباشد، معمولا پایین است. برای مثال، حلالیت اکسید منیزیم در آلومینا در دمای
تقریبا 1ppm کسر اتمی است. بنابراین در مخلوط آلومینایی که درصد اکسید منیزیم بالاتر از 1 ppm باشد، فازهای ثانویه ای تشکیل می شود که دارای اکسید منیزیم هستند. این فازهای ثانویه در دمای 1200 و دماهای پایین تر در مرزها تشکیل می شوند اما اتم های Mg در آلومینا جایگزین و یا حل نمی شوند. در مقالات، گزارشات زیادی در مورد حلالیت بالاتر یون های با ظرفیت غیر 3 در آلومینا وجود دارد اما در کارهای دقیقی که بوسیله ی Greskovitch و Brewer انجام شده است، دیده شده است که در آلومینای با خلوص بالا، این حلالیت بالاتر بعید است.
استفاده از اکسیدهای دیگر در آلومینا موجب می شود تا نقطه ی ذوب آن کاهش یابد. در بیشتر این اکسیدها، یوتکتیک یا پریتکتیکی در گستره ی دمایی
تا 2000℃ ایجاد می شود. سیستم دارای یوتکتیک با دمای بسیار پایین در هنگام استفاده از 99 %است. سایر دماهای یوتکتیک در سیستم های مختلفی از جمله برابر 1070، در و در برابر 1440 می باشد.

خواص مکانیکی

الاستیسیته

آلومینا دارای رفتار تغییر شکل مشابه با مواد جامد ترد از خود نشان می دهد. این رفتار تا زمان شکست، تقریبا خطی است. در زمانی که تنش بر روی آن اعمال می شود، تغییر شکل الاستیک آنی در آن ایجاد می شود و در زمانی که این نیرو برداشته می شود، به طور کامل این تغییر شکل به جای خود بر می گردد. در تست کشش انجام شده بر روی میله های آلومینایی، کرنش بدست آمده تا هنگام شکست، خطی است. شیب نمودار تنش کرنش برابر مدول یانگ است. مقادیر مختلف نسبت های مدولی و پواسون برای آلومینای پلی کریستالی خالص و با دانسیته ی بالا در جدول 4 آورده شده است. این مقادیر نسبت به مقادیر بدست آمده برای سایر اکسیدها، بالاتر است. این مسئله به خاطر پیوند قوی آلومینیوم و اکسیژن در آلومیناست. ثابت های الاستیک مختلف برای تک کریستال آلومینا در جدول 5 نشان داده شده است. همین طور که دما افزایش می یابد، مدول الاستیک کاهش می یابد( همانگونه که در جدول 6 نشان داده شده است. علت این مسئله، افزایش جابجایی اتمی با افزایش دماست. افزایش جابجایی اتمی استحکام پیوند را کاهش می دهد.

استحکام

استحکام مکانیکی مواد ترد مانند آلومینا به ترک های ایجاد شده در سطح این ماده بستگی دارد. وقتی یک تنش کششی به صورت عمود بر عمق ترک، اعمال می شود، نوک ترک به طور قابل توجهی بزرگ می شود. بنابراین شرایط سطحی مواد ترد، استحکام آنها را تعیین می کند. ترک های سطحی بوسیله ی سایش ایجاد می شود و بنابراین مقاومت بالاتر ماده ی ترد به سایش باعث می شود تا استحکام تجربی آن بیشتر شود. استحکام آلومینا در جدول 7 آورده شده است.
اگر یک جامد دارای ترک های سطحی یا داخلی نباشد، دارای استحکام بالایی خواهد بود. معادلات تئوری مختلفی برای بدست آوردن استحکام نهایی( S ) مواد ترد گزارش شده است. مثلا:
که در اینجا E برابر مدول یانگ، انرژی سطحی و b پارامتر شبکه است. برای E= 403 GPa، و b=0.177 nm، استحکام نهایی S برای آلومینا در حدود 58 GPa می باشد. این مقدار بسیار زیاد است که علت آن وجود پیوندهای قوی در آلومیناست. برای مثال شیشه های سیلیکاتی و کوارتز دارای مقدار استحکام تئوری 18 GPa یا کمتر هستند.
استحکام تجربی مواد ترد در گستره ی وسیعی قرار دارد. این مسئله به شرایط سطحی و وضعیت های بارگذاری قبلی آن، بستگی دارد. برای آلومینا، استحکام کششی یا استحکام پیوند در گستره ای از ارقام تغییر می کند، این موضوع به این دلیل است که شرایط سطحی مختلف موجب می شود تا توزیع و جریات حرکت ترک ها متفاوت باشد. مقادیر استحکام برای آلومینا بزرگتر از بیشتر اکسیدهای دیگر است. البته این مقدار بسیار کمتر از مقدار تئوری آن است که علت این موضوع این است که نحوه ی بارگذاری در قبل و نحوه ی آماده سازی نمونه ها، بر روی استحکام آن اثر گذار است. همین طور که دما افزایش می یابد، استحکام آلومینا کاهش می یابد زیرا با افزایش دما، نوسانات اتمی افزایش و استحکام پیوند کاهش می یابد و به همین دلیل است که مدول یانگ کاهش می یابد. استحکام پلی کریستال آلومینا به طور قابل ملاحظه ای به اندازه ی دانه ها بستگی دارد. استحکام همچنین در زمانی که آلومینا متخلخل تر می شود، کاهش می یابد( همانگونه که در جدول 8 دیده می شود). وجود تخلخل های منفرد، تنش های ایجاد شده در سطح را افزایش می دهد و وجود تخلخل های باز به این معناست که ترک های سطحی بیشتری وجود دارد.

شکست

استحکام اکسیدهای کریستالی و شیشه ای در هنگام اعمال بار ثابت، با گذر زمان کاهش می یابد. این شکست استاتیک معمولا با یک معادله ی به زمان شکست( t )( در زمان اعمال تنش s)، در ارتباط است:

که در اینجا c ثابت و توان تنشی n اندازه ای از تمایل ماده به شکست می باشد. مقادیر بزرگتر از n نشان می دهد که ماده دارای مقاومت بیشتری در برابر شکست است. مقادیر نمونه وار از n برای شیشه های سیلیکاتی برابر 13 یا کمتر از آن است. مقدار n برابر آلومینا در حدود 35 است و این نشاندنده ی این است که این ماده نسبت به اکسیدهای دیگر و تحت شرایط معمولی، دارای مقاومت بیشتری در برابر شکست است.
این شکست در اکسیدها نتیجه ای از برهمکنش با آب است که این برهمکنش می تواند منجر به شکسته شدن پیوند در ماده شود. برای مثال در آلومینا:

بنابراین، وقتی اتمسفر خشک باشد، زمان شکست طولانی تر است و وقتی این رطوبت افزایش می یابد، زمان شکست کوتاه تر می شود.

سختی

سختی یک ماده بوسیله ی یک سری سخت اندازه گیری می شود. در واقع با اعمال نیرو بوسیله ی این سری بر روی ماده، تغییر شکل آن اندازه گیری می شود. اندازه گیری سختی آسان است اما تفسیر آنها مشکل است. توزیع تنش تحت نیروی اعمال شده بوسیله ی ایندنتور به خاطر ایجاد ترک، تغییر شکل الاستیک و غیر الاستیک و تغییر شکل پلاستیک در هنگام اعمال ایندنتور، پیچیده است. آلومینا یکی از سخت ترین اکسیدهاست. در مقیاس موهس، سختی این ماده 9 است. اگرچه بعد از این ماده الماس با سختی 10 قرار گرفته است، اما سختی الماس تقریبا 3 برابر آلومیناست. برخی از مقادیر سختی های نوپ( استفاده از ایندنتوری به شکل هرم الماسه) برای آلومینا به عنوان تابعی از دما در جدول 9 آورده شده است و در جدول 10، مقدار سختی برای برخی از مواد سرامیکی آورده شده است. این مسئله ای خاص است که سختی آلومینا در هنگام افزایش دما نسبت به استحکام آن، بیشتر کاهش می یابد.

خزش

خزش تغییر شکل دما بالای یک ماده در گذر زمان می باشد. سایر ویژگی های دما بالا که به خزش مربوطند، آزادسازی تنش و مدول، سایش داخلی و آزاد سازی مرزدانه هاست. سرعت خزش به طور قابل توجهی با دما، افزایش می یابد و اغلبا این سرعت با تنش اعمال شده قابل مقایسه است. سایر اثرات این پدیده بر روی عیوب شبکه، استوکیومتری و محیط ایجاد می شود. بنابراین سرعت های خزش به طور قابل ملاحظه ای به نحوه ی ساخت نمونه و روش های تجربی خاص برای اندازه گیری آن ها بستگی دارند. این باعث می شود تا تنها در زمانی بتوان مقایسه انجام داد که روش اندازه گیری و نحوه ی تولید نمونه ها یکی باشد. برخی ازسرعت های خزش چرخشی برای اکسیدهای مختلف در جدول 11 آورده شده است. این جدول نشان می دهد که تغییرات زیادی در این مقادیر وجود دارد. در مقایسه با برخی از مواد دما بالای دیگر مانند مولایت، آلومینا دارای سرعت خزش بالاتری است که این مسئله در برخی مواقع استفاده از این ماده در دماهای بالا را محدود می کند.

تغییر شکل پلاستیک

در دماها بالا( بالاتر از 1200℃)، آلومینا می تواند به خاطر حرکت نابجایی ها، تغییر شکل دهد. مقالات نوشته شده در این زمینه، جزئیات حرکت نابجایی ها در آلومینا را نشان می دهد. لغزش اصلی که در صفحات متراکم اکسیژن رخ می دهد، متداول ترین لغزش در این مواد است. همچنین باید گفت که در آلومینا، سیستم های لغزش اضافی بر روی صفحات منشوری قرار گرفته اند.

تافنس شکست

تافنس شکست( ) مواد ترد به صورت زیر تعریف می شود:

که در اینجا، S تنش اعمال شده و مورد نیاز برای گسترش ترکی به عمق c است و Y پارامتر هندسی است. مقادیر اغلبا برای مواد سرامیکی از طریق اندازه گیری طول های ترک ها ایجاد شده در اطراف ایندنتور، بدست می آید. K_IC یک پارامتر مربوط به ماده نیست و به فاکتورهای غیر قابل کنترل و همچنین نحوه ی تولید ماده بر می گردد. بر اساس معادله ی گریفیس، این مقدار یک معیار ضروری برای انتشار ترک می باشد اما یک معیار کافی نمی باشد. بنابراین K_IC یک معیار مطلوب برای تعریف ویژگی های مکانیکی مواد ترد نیست. برای آلومینا مقدار اغلبا در حدود است.

خواص حرارتی و ترمودینامیکی

دانسیته و ضریب انبساط حرارتی
دانسیته ی آلفا آلومینا در دمای برابر است که این دانسیته سبب ایجاد حجم ویژه ی یا .0438 نانومتر مکعب بر است. دانسیته ی سایر آلومیناها در جدول 12 آورده شده است.
ضریب انبساط حرارتی( α ) آلومینا در دماهای مختلف در جدول 13 آورده شده است. اغلبا مقدار متوسط α در یک گستره ی دمایی در نظر گرفته می شود اما نمودار شیب منحنی طول به دما در دماهای مختلف دقیق ترین راه برای تعریف α است.

ظرفیت حرارتی( گرمای ویژه) و مقادیر ترمودینامیکی

حرارت ویژه، آنتروپی و انرژی های آزاد گیبس برای تشکیل آلومینا در جدول 14 آورده شده است. در بالای دمای 2790 کلوین (نقطه ی جوش آلومینیوم)، یک تغییر غیر مداوم در گرمای تشکیل آلومینا وجود دارد.

تبخیر آلومینا

اجزای حاصل از تبخیر آلومینا عبارتند از Al، AlO، و نوع ترکیب ایجاد شده بعد از تبخیر آلومینا به دما و شرایط محیطی( اکسایشی یا کاهشی) مربوط می شود. تحت اتمسفر کاهشی، Al و بیشتر تولید می شوند؛ در فشار بخار اکسیژن 0.2 bar، AlO گونه های اصلی هستند.
دو مثال از داده های مقداری در زمینه ی وابستگی فشار بخار به دما در جدول 15 آورده شده است.
دمای جوش آلومینا در فشار 1 اتمسفر در حدود است. حرارت مورد نیاز برای به جوش رساندن این ماده از دمای 25℃ برابر 1900 باشد. این اعداد را می توان با دمای ذوب آن یعنی و حرارت مورد نیاز برای ذوب شدن این ماده که در حدود را مقایسه نمود.

رسانایی گرمایی

رسانایی گرمایی تک کریستال آلفا آلومینا به عنوان تابعی از دما در جدول 16 آورده شده است. در این ماده، حرارت از طریق مکانیزم فونونی( ویبراسیون) انتقال می یابد. طول پویش آزاد میانگین فونونی تعیین کننده ی رسانایی حرارتی است و این فاکتور به دما، برهمکش های فونون- فونون و تفرق های انجام شده در عیوب شبکه ای ماده ی جامد، بستگی دارد. در دماهای زیر دمای ماکزیمم( زیر 40 کلوین)، طول پویش آزاد میانگین عمدتا بوسیله ی اندازه ی نمونه تعیین می شود زیرا تفرق فونون از سطح نمونه رخ می دهد. در بالای این دمای ماکزیمم، رسانایی به طور اکسپوننسیالی تحلیل می رود که علت آن برهمکنش های فونون- فونون است. در دماهای بسیار بالا( بالاتر از 800℃، طول پویش آزاد میانگین فونونی در ابعاد یک فاصله ی شبکه ای است و از این رو رسانایی با افزایش دما ثابت می شود. سرعت( ν ) یک فونون یا موج صوتی در جامد را می توان از فرمول زیر محاسبه نمود:

که در اینجا E مدول یانگ و ρ دانسیته است. بنابراین سرعت فونون در آلومینا در دمای 25℃ برابر است. این نتایج به نتایج بدست آمده در آزمایشات نزدیک است.

خواص الکتریکی

رسانایی الکتریکی

در بررسی های مختلف انجام شده بر روی خواص الکتریکی، اعداد مختلفی گزارش شده است. هر فردی که علاقه مند به خواص الکتریکی آلومینا باشد باید کارهای انجام شده بوسیله ی Will و همکارانش را مورد مطالعه قرار دهد. این محققین رسانایی الکتریکی یاقوت کبود خالص و خشک را از دمای 400 تا 1300℃ را اندازه گیری کردند. آنالیزهای شیمیایی نمونه های یاقوت کبود در جدول 17 آورده شده است. این آنالیزها نشان داد که کل ناخالصی های این ماده در حد 35 ppm است. این آنالیزهای نشان می دهد که مخصوصا ناخالصی های قلیایی در این نمونه ها اندک است.
اندازه گیری های انجام شده بر روی الکترودهای نیوبیومی با یک حلقه یا دیسک محافظ انجام شد. این اندازه گیری ها در خلئی در گستره ی Torr انجام شده است. یک تکنیک رفت و برگشتی با ولتاژ غیر پایدار برای اندازه گیری این پارامتر مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج حاصل از اندازه گیری ها در جدول 18 و شکل 3 آورده شده است. اندازه گیری های در طول محور x انجام شده است. در دماهای میان 700 تا 1300℃، انرژی فعال سازی در حدود در دماهای میان 400 تا℃ 700، این انرژی برابر است. این ملاحظات زیاد در زمینه ی اندازه گیری و همچنین استفاده از یاقوت کبود با کیفیت بالا، این اطمینان را ایجاد می کند که این اندازه گیری ها قابل اعتماد است.
بعد از الکترولیز به مدت 650 h در دمای 1200℃، رسانایی هنوز هم ثابت است و این نشاندهنده ی این است که این رسانش، الکترونیکی است، نه یونی. بخش دما بالا که از رسانش ذاتی معادل با حفرات و الکترون ها( حامل ها) بدست آمده است، نشان می دهد که دو برابر انرژی فعال سازی، گاف انرژی یا 9.6 eV را ایجاد می کند که این مقدار به گاف انرژی محاسبه شده از لبه ی جذب در گستره ی طیف فرابنفش، نزدیک است. سهم انرژی فعال سازی اندک در دماهای پایین، به رسانایی الکتریکی ذاتی حاصل از یونیزه شدن ناخالصی ها مربوط می شود. افراد فعال در این زمینه، پیشنهاد کردند که وجود سیلیسیم به عنوان یک اتم ناخالصی دهنده ی، باعث ایجاد رسانایی این ماده در دمای پایین شده است. وجود رسانش ذاتی در گستره ی انرژی های فعال سازی کم، با نتایج بدست آمده از چندین مطالعه در زمینه ی رسانایی الکتریکی آلومینا، صدق می کند. این نتایج، رسانشی مشابه با رسانش در دماهای بالا را نشان می دهد اما تغییر در رژیم انرژی فعال سازی در دماهای بالاتر( بالاتر از 700℃)، احتمالا به دلیل وجود ناخالصی های بیشتر در نمونه های این مطالعات می باشد.
رسانایی الکتریکی آلومینا موازی با محور c 3.3 برابر رسانایی آن در جهت محور عمود بر محور c است. برخی مطالعات بر روی رسانایی این ماده در دماهای بیشتر از℃ 1800 نیز انجام شده است.

ویژگی های دی الکتریک

ثابت دی الکتریک آلومینا به عنوان تابعی از دما و جهت گیری کریستالی در جدول 19 آورده شده است. ثابت دی الکتریک این ماده تا دمای 500℃ اندکی افزایش می یابد و کاملا به جهت گیری وابسته است. ارقام اتلاف دی الکتریک بسیار پایین برای یاقوت کبود گزارش شده است اما این نتایج جای بحث زیادی دارد. در صورت وجود ناخالصی اندک، تانژانت اتلافی زیر 0.001 مورد نظر می باشد. ارقام حقیقی احتمالا به طور قابل ملاحظه به خلوص کریستالی ربط دارند.

ویژگی های مغناطیسی

آلومینیوم یک ماده ی دیا مغناطیس با حساسیتی کمتر از است.

نفوذ ذر آلومینا

مقادیر تجربی بدست آمده برای ضرایب نفوذ مواد در آلومینا در می توان در مقالات پیدا کرد. در واقع مقادیر پارامترهای و Q( انرژی فعال سازی) از معادله ی آرنیوسی تبعیت می کند:

پر سرعت ترین ماده ای که در آلومینا نفوذ می کند، گاز هیدروژن است. کاتیون های با سرعت نفوذ بالا، سدیم، مس، نقره و یون هیدرونیوم( ) هستند. در بین این کاتیون ها یون هیدرونیوم سریع ترین کاتیون است. در بین این یون ها، یون های داخل شبکه ای یعنی اکسیژن و آلومینیوم دارای ضرایب نفوذ یکسانی هستند.
یک سری از محققین ضرایب نفوذ این ماده را از نقاط انتهایی نمودارهای نفوذ در آلومینا بدست آورده اند. این محققین، این کار را با استفاده از مقادیر D در طول نابجایی هاف مرزدانه های اصلی و فرعی، انجام داده اند. به هر حال، این نسبت دادن ها در بیشتر موارد بی فایده هستند. مکانیرم نفوذ در آلومینا مشخص نشده است. در این ماده یک گستره از عیوب باردار برای کنترل نفوذ پیشنهاد شده اند اما هیچ شرحی در مورد آن، قابل قبول نیست زیرا با نتایج تجربیس هم خوانی ندارد. ما پیشنهاد می دهیم که نفوذ در آلومینا از انتقال AlO ایجاد می شود. با ایجاد این انتقال، عیوب حاصله در ساختار آلومینا در نفوذ تأثیر گذار می شوند. این گمانه زنی ها تا حدی قابل قبول است اما کارهای بیشتری در این زمینه تأیید آن مورد نیاز است.

ویژگی های نوری

ضریب شکست

ویژگی های نوری این جامد ها را می توان با استفاده از ضریب شکست مختلط این ماده مورد بررسی قرار داد:

که در اینجا n برابر بخش حقیقی و k بخش موهومی ضریب شکست است. مقادیر n و k از 0.008731 µm تا mµ 600متغیر است. در طول موج های 0.1454 µm تا 4.000µm، مقدار k برای آلومینای با خلوص بالا کمتر از است؛ بنابراین آلومینا به طور کامل شفاف است. مقادیر n بدست آمده در تحقیق های مختلف، متفاوت است که علت این موضوع احتمالا خلوص متفاوت ماده اولیه ی مورد استفاده بوسیله ی تحقیقات مختلف یا بواسطه ی خطاهای اندازه گیری، است. یک معادله ی دو متغیره برای n در این طول موج به صورت زیر است:

که در اینجا λ طول موج بر حسب میکرومتر است. این معادله n را به طور دقیق به ما می دهد( جدول 20). یک معادله ی دقیق برای این عبارت به صورت زیر است:

که در اینجا و ثابت هایی هستند که در جدول 21 آورده شده اند.

نتیجه گیری و استفاده های دیگر از آلومینا

ویژگی های آلومینا در بخش های قبلی بیان شد. این ویژگی ها نشاندهنده ی کارایی غیر عادی آلومینای با خلوص بالاست. این خواص منجر می شود تا کاربردهای مختلفی برای این ماده وجود داشته باشد که در جدول 1 آورده شده است. آلومیناهایی که موجود می باشد، دارای ناخالصی ها و عیوب مختلفی است که به دلیل وجود این عیوب، ویژگی های آلومینا تخریب می شود. با وجود این تخریب، بازهم برخی از ویژگی های این ماده فوق العاده است و می توان از آن در کاربردهایی همچون مواد دیرگداز، اجزای الکترونیکی و زیرلایه های کاتالیستی استفاده نمود. زمینه هایی که احتمالا می تواند در آینده از آلومینا استفاده کند عبارتند از زمینه ی الکترونیک، نوری و بیومواد. الیاف آلومینایی برای استفاده در اجزای نوری می توانند مورد استفاده قرار گیرند. البته این کاربردها به خلوص این ماده نیز بستگی دارد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع است.