اکسید آلومینیم

جمعه 3 / 2 / 1393 ساعت 20:52 | بازدید : 1111 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

اکسید آلومینیم (Aluminium Oxide) ترکیب شیمیایی آلومینیم و اکسیژن با فرمول شیمیایی Al₂O₃است. این ترکیب فراوان ترین نوع اکسید آلومینیم است و به نام اکسید آلومینیم III شناخته می شود. بسته به نوع کاربرد یا شکل آلومینا (alumina)، آلوکساید، آلوکسایت یا آلوندوم نامیده می شود.اکسید آلومینیم معمولا به شکل کریستالی α-Al₂O₃ متبلور می شود که ساختار کریستالی کانی کوراندوم را تشکیل می دهد و برخی از انواع آن، سنگ های قیمتی یاقوت و یاقوت کبود هستند. از مهم ترین کاربردهای اکسید آلومینیم، ماده اولیه تولید فلز آلومینیم، ساینده ها و دیرگداز ها است.

پایدارترین فرم کریستالی اکسید آلومینیم ساختار کوراندوم α-Al₂O₃ بوده که به واسطه انباشتگی یونی اکسیژن و آلومینیم به شکل هگزاگونال متبلور می شود. در این ساختار کریستالی a=12.99 وc=4.75 است. شکل روبرو واحد ساختمانی کوراندوم را نشان می دهد. یون های اکسیژن در گوشه واحد شبکه قرار گرفته و از آن جایی که کاتیون Al ظرفیت 3+ و اکسیژن ظرفیت 2- را دارد به ازای هر سه یون اکسیژن در واحد شبکه می بایستی دو کاتیون آلومینیم حضور داشته باشد تا خنثی بودن ماده حفظ شود. بدین ترتیب یون های آلومینیم دو سوم محل های اکتاهدرال را اشغال می کنند.

90 درصد اکسید آلومینیم تولید شده در جهان برای تولید فلز آلومینیم و 10 درصد بقیه برای مواردی چون کاتالیست ها، ساینده ها، نسوزها، عایق ها و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.

اکسید آلومینیم به دلیل داشتن نقطه ذوب بالا، عایق بودن و مقاومت شیمیایی خوب به عنوان بلوک و لوله های نسوز، غلاف ترموکوپل و بوته ذوب مواد مورد استفاده قرار می گیرد. آلومینا با اندازه متوسط دانه های کریستالی بزرگتر از 200 میکرون و فاز شیشه کم در کاربردهای فوق مطمئن تر عمل می کند. به همین دلیل 4-2 درصد ترکیباتی چون CaO-SiO2 و یا CaO-MgO-SiO2 به آلومینا اضافه شده که در دمای پخت ایجاد فاز مایع نموده و زمینه رشد دانه را ایجاد می نمایند. مناسب ترین فاز مایع برای رشد دانه شامل:60%Sio₂, 35%CaO, 5%Mgo یا 60% SiO₂, 40% CaO است.

نسوزهای آلومینایی به علت پایداری حرارتی و شیمیایی خوب در هر دو محیط قلیایی و اسیدی کاربرد دارند. به عنوان مثال نسوزهای زاک که شامل 50 درصد اکسید آلومینیم ، 40 درصد زیرکونیا و 10 درصد سیلیس است، جهت وان های ذوب شیشه استفاده می شود.

آلومینا به دلیل مقاومت دی الکتریک نسبتا بالا و تلفات دی الکتریک پایین در کاربردهای الکترونیکی به عنوان پایه مدارها مورد استفاده قرار می گیرد. شرایط لازم برای این پایه ها عبارتند از :

1- هدایت حرارتی بالا

2- مقاومت الکتریکی بالا و اتلاف دی الکتریک کم

3- پایداری بالا در برابر ولتاژ

4- پایداری شیمیایی

5- زبری کم سطح

6- انعکاس حداقل تشعشعات

7- پایداری در برابر حرارت

8- استحکام مکانیکی

9- قیمت پایین

اندازه گیری های انجام شده توسط دیلاتومتری برای ضریب انبساط حرارتی آلومینا مقدار 6.99×10⁶ را نشان می دهد که برای کاربرد آن به عنوان زیر پایه الکتریکی در سلول های خورشیدی مشکل ساز است زیرا مطابقت خوبی با پوشش سیلیسیم با ضریب انبساط 4×10^-6 ندارد اما خوشبختانه برای سطوح بالاتر از 100 سانتی متر مربع مطابقت خوبی بین پایه و پوشش سیلیسیم برقرار می شود. لازم به ذکر است که انبساط α-Al₂O₃ انیزیتروپ بوده و در جهت موازی ،C ده درصد بیشتر از جهت موازی با قاعده است. در این میان اکسید بریلیم نیز مناسب بوده اما گران و در ضمن سمی است.

هدایت حرارتی برای آلومینا بدون تخلخل و تک کریستال نسبتا بالا بوده به طوری که قابلیت برش و یا سوراخ شدگی به اندازه دلخواه با لیزر را دارد. هدایت الکتریکی آلومینا با افزایش دما افزایش یافته و در دماهای بالای 830 درجه سانتی گراد هدایت یونی به هدایت الکترونی تبدیل می شود. با حضور ناخالصی های قلیایی در محدوده 400 تا 700 درجه سانتی گراد مقاومت ویژه آلومینا به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. نمونه های ریز دانه با عیوب بالا مقاومت الکتریکی بالاتر دارند. هر اندازه آلومینا خالص تر و فاز شیشه ای کمتری داشته باشد عایق الکتریکی بهتری خواهد بود چرا که فاز شیشه با داشتن یون های قلیایی و ایجاد پیوندهای ضعیف مقاومت الکتریکی را کاهش می دهند.

آلومینا یک ماده دیامغناطیس یا غیرمغناطیسی است و عایق در برابر جرقه محسوب می شود. این سرامیک می تواند تخلیه الکتریکی حدود چند صد هزار ولت که فشار حدود 10 مگا پاسکال را ایجاد می نماید برای چندین ساعت تحمل نماید و از طرفی به علت استحکام پیچشی خوب برای کاربردهایی چون پایه شمع اتومبیل، پرسلان ها و مقره های الکتریکی استفاده می شود.

آلومینای بدون تخلخل که از شفافیت خوبی برخوردار است جهت ساخت لوله های لامپ قوس الکتریکی چون لامپ بخار سدیم مورد استفاده قرار می گیرد که بازده آن بسیار بالاتر از لامپ های جیوه ای و یا فلورسنت می باشد چرا که قابلیت کار در دماهای بالاتر را داشته و بیشتر نور آن در طیف مرئی قرار می گیرد.

آلومینا به جهت دارا بودن مقاومت به خوردگی بالا در برابر مایع غضروفی، تحمل بار خوب، فعالیت مورد نیاز متابولیکی، خنثی بودن، زیست سازگاری خوب (سازگار با فیزیولوژی بدن و جوش خوردن با استخوان)، مقاومت به سایش بالا (میزان سایش آن حدود 1.1 فلزات می باشد)، ضریب اصطکاک کم (آلومینا به آلومینا) و آبدوست بودن (شکل گیری یک لایه هیدراته بسیار نازک به ضخامت 50 آنگستروم که بسیار سازگار با بدن می باشد) به عنوان ایمپلنت (قطعات بیوسرامیکی) کاربرد دارد. در قسمت هایی که استحکام مطرح نباشد استفاده از آلومینای متخلخل (با اندازه بزرگتر از 100 میکرون) امکان رشد بافت های بدن در داخل آن وجود داشته که سازگاری بهتری ایجاد می نماید (ران و دندان). البته سرامیک های بر پایه زیرکونیا Y-TZP و Mg-TZP به جهت استحکام و چقرمگی بالاتر اولویت بالاتری نسبت به آلومینا دارند. از جمله سرامیک های کریستالی مناسب برای دندان آلومینا می باشد.

برای ساخت قطعات بیوسرامیکی از مخلوط پودر آلومینا با یک ماده افزودنی چون متیل سلولز استفاده می کنند سپس این مخلوط را از لوله های باریک کاربید تنگستن عبور داده شده تا فرم مورد نظر به خود بگیرد (میله ای، ورقه ای، لوله ای). متیل سلولز نقش افزایش پلاستیسیته و شکل پذیری آلومینا را دارد. اشکال فرم داده شده مورد عملیات خشک کردن و سپس پخت تا دمای 1650 درجه سانتی گراد قرار می گیرند. سرامیک های تک کریستال برای کاربردهای بیوسرامیکی اولویت دارند.

آلومینا از یک طرف به دلیل سازگاری بالا و آب بندی خوب با فلزات و از طرف دیگر با داشتن مقاومت به خوردگی بالا به عنوان اجزای پمپ در صنایع شیمیایی کاربرد دارد.

آلومینا و اکسید تیتانیم به جهت مقاومت به سایش خوب و داشتن سطحی صیقلی و ضد اصطکاک به عنوان هدایت کننده الیاف نساجی و تغییر جهت آن ها در صنعت نساجی مورد استفاده قرار می گیرد.

به دلیل ضد سایش بودن و سختی بالا به عنوان ساینده چون گلوله های آسیا و سمباده ها، ابزارهای برشی، سیم های هدایت کننده در حدیده ها مورد استفاده قرار می گیرد. به علت خواص خوب ترمودینامیکی به عنوان تیغه تراش استفاده می شود زیرا تراشنده های فلزی در سرعت های بالا به دلیل افزایش شدید دما، نرم شده و دفرمه می شوند.

آلومینا،اکسید آلومینیم

آلومینا نقش مهمی در صنعت تولید سرامیک های ظریف داشته که می توان به مواردی چون ساخت لعاب ها به خصوص به شکل هیدراته، پوشش بر روی ساگارهای مورد استفاده در کوره پخت سرامیک ها جهت جلوگیری از چسبیدن بدنه های سرامیکی، به عنوان پر کننده در بدنه های سرامیکی ظریف (ظروف خانگی و سرامیک های بهداشتی) جهت افزایش خواص مکانیکی و تولید بدنه های نازک تر، کاهش تغییر شکل قطعه در ضمن پخت، پخت سریعتر سرامیک ها بدون ترک خودرگی، بهبود رنگ محصول، افزایش مقاومت شیمیایی و الکتریکی، کاهش قابل توجه خطر بیماری سیلیکوز با جایگزینی سیلیس توسط آلومینا و سایر موارد نام برد.

سنتز پودر اکسید آلومینیم

ویرایش

از مواد معدنی که برای تولید پودر اکسید آلومینیم یا آلومینا مورد استفاده قرار می گیرد می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1- بوکسیت با میزان 35 تا 75 درصد اکسید آلومینیم

2- آلونیت با فرمول شیمیایی KAl₃(SO₄)2(OH)₆ که مقدار آلومینای آن در سنگ معدن اولیه 16 تا 20 درصد و در آلونیت فراوری شده 35 تا 40 درصد می باشد.

3- نفلین با فرمول شیمیایی (Na,K)AlSiO₄ که مقدار آلومینای آن بین 19 تا 28 درصد می باشد.

نام بوکسیت از منطقه بوکس فرانسه که برای اولین بار در آن جا یافت شده گرفته شده است. بوکسیت شامل 45 تا 60 درصد اکسید آلومینیم به شکل هیدرواکسیدهایی چون گیبسیت[Al(OH)3]، بوهمیت (AlooH) و دیاسپور (AlooH) و ناخالصی هایی چون TiO2، SiO2 و Fe2O3 به شکل هیدروسیلیکات می باشد و تقریبا از هر دو تن بوکسیت یک تن آلومینا و 0.5 تن آلومینیم حاصل می شود. 50 درصد بوکسیت را مواد باطله تشکیل داده که بعد از فرآنید هیدرومتالورژی به صورت لجن قرمز در می آید. مشخصات انواع مینرال های تشکیل دهنده بوکسیت در جدول زیر آمده است.

مشخصات انواع مینرال های تشکیل دهنده بوکسیت

دیاسپور	بوهمیت	گیبسیت	مشخصه
Al2O3.H2O	Al2O3.H2O	Al2O3.3H2O	فرمول شیمیایی
85	85	65.4	درصد آلومینا
15	15	34.6	درصد حجمی آب
ارتورومبیک	ارتورومبیک	منوکلینیک	سیستم تبلور
6.5-7	3.35-5	2.3-3.5	سختی
3.2-3.5	3.01-3.06	2.3-2.4	وزن مخصوص

داده های آماری از بوکسیت های موجود در دنیا نشان می دهد که میزان بوکسیت های گیبسیتس حدود 90 درصد کل بوکسیت های جهان و 10 درصد باقی مانده بوکسیت های بوهمیتی و یا دیاسپوری هستند. بیش از 95 درصد آلومینای دنیا از بوکسیت گسیبسیتی تولید می شود. فرآوری بوکسیت و جدا کردن ناخالصی ها از آن بر اساس روش بایر انجام می گیرد.

موضوعات مرتبط: اکسیدها , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

دی اکسید تیتانیم (Titanium Dioxide)

جمعه 3 / 2 / 1393 ساعت 20:44 | بازدید : 1686 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

دی اکسید تیتانیم (Titanium Dioxide) یا تیتانیا با فرمول TiO₂ دارای وزن مخصوص 4.2-3.9، نقطه ذوب 1854 درجه سانتی گراد و سختی 6.5-5.5 است. دی اکسید تیتانیم در آب و اسیدهای آلی و محلول های رقیق قلیایی حل نمی شود اما در اسید سولفوریک گرم و HF حل می شود. دی اکسید تیتانیم در سه شکل ساختمانی آناتاز (تتراگونال)، روتیل (مکعبی) و بروکیت (ارتورمبیک) قابل متبلور شدن می باشد. دی اکسید تیتانیم به صورت سنگ های ایلمینیت (FeTiO₃)، پروسکایت (CaTiO₃) و تیتانیت ایلمینوروتیل و به صورت نادرتر به شکل روتیل در منابع معدنی یافت می شود.

دی اکسید تیتانیم به دلیل کریستالیزه شدن در هنگام پخت لعاب و اپک کردن آن (رنگدانه سفید)، تنظیم و پایدار کردن لعاب، افزایش قدرت پوشانندگی و ایفای نقش کاتالیست در افزایش سرعت واکنش ها استفاده گسترده ای در صنایع ساخت انواع رنگدانه ها و لعاب سازی دارد. به جهت داشتن ضریب شکست بالا (2.76 – 2.52) و افزایش ضریب شکست شیشه ها در ساخت انواع شیشه های اپتیکی از آن استفاده می شود. در صنایع لاستیک سازی، کاغذ سازی، سرامیک و مواد آرایشی و دارویی (خمیر دندان، پماد، پودر) به عنوان پر کننده عمل می کند. به دلیل استحکام و مقاومت به خوردگی بالای دی اکسید تیتانیم به عنوان پوشش بر روی سطوح مصنوعات فلزی به خصوص در بدنه سفینه های فضایی مورد استفاده قرار می گیرد. از دی اکسید تیتانیم تک کریستال به عنوان الماس مصنوعی استفاده شده با این تفاوت که به راحتی قابلیت تراش دارد.

از کاربردهای الکتریکی دی اکسید تیتانیم می توان به مواردی چون روپوش الکترودهای جوشکاری، الکترود لامپ های قوسی و به عنوان دی الکتریک در خازن ها به جهت داشتن ثابت دی الکتریک بالا (173 در جهت موازی با محور تک بلور و 89 در جهت عمود بر آن) اشاره نمود.

چنانچه پخت بدنه های دی اکسید تیتانیم به کمک گدازآورهایی مانند SiO₂، BeO، MgO و BaCO₃ در شرایط احیایی انجام گیرد جاهای خالی اکسیژنی در داخل ساختار شکل می گیرد که رنگ آن تیره و هدایت الکتریکی را افزایش می دهد و آن را به عنوان یک نیمه هادی مطرح می نماید. به طوری که با حرارت دادن آن در دمای 600 درجه سانتی گراد در اتمسفر هیدروژن به مدت 5 دقیقه ضریب هدایت از ^12- 10 به ^5-10 (در واحد ( $bold capital omega$ cm^-1 افزایش می یابد. به طور کلی رابطه غیر استوکیومتری اکسید تیتانیم به صورتTiO_2-x بوده که هر قدر x بزرگتر باشد رسانایی افزایش می یابد به طوری که رسانایی TiO مشابه فلزات است. TiO از احیای TiO₂ به وسیله منیزیم در دمای 600 درجه سانتیگراد در اتمسفر آرگون و یا هیدروژن حاصل می شود. اکسید تیتانیم با افزایش دما نیز اکسیژن از دست داده و یون های تیتانیم در جاهای خالی اکتاهدرال بین نشین می گردند و هدایت الکتریکی به طور محسوسی بالا رفته و نیمه هادی از نوع n حاصل می شود.

یکی از استفاده مهم دی اکسید تیتانیم در تهیه سنسورهای اکسیژنی است. هدایت الکتریکی دی اکسید تیتانیم با کاهش فشار اکسیژن افزایش می یابد به طوری که به ازای کاهش فشار اکسیژن از 1 به 0.1 اتمسفر هدایت الکتریکی تا 10 برابر افزایش می یابد. این حساسیت قابل توجه دی اکسید تیتانیم به فشار اکسیژن آن را به عنوان یک سنسور اکسیژنی مطرح کرده است. ترکیب غیر استوکیومتری TiO₃ به صورت TiO_2-x نشان داده می شود که به مفهوم جاهای خالی اکسیژن و یا بین نشین های تیتانیم در شبکه کریستالی می باشد. وجود عیوب چون جاهای خالی و بین نشین ها منشا ایجاد الکترون بوده و غلظت الکترون ها متناسب با PO₂ ^-1.5 می باشد. مطابق روابط ترمودینامیکی و سینتیکی نشکیل جاهای خالی برای TiO₂آسانتر از تشکیل بین نشین های تیتانیم می باشد. معمولا دی اکسید تیتانیم پلی کریستال متخلخل به دلیل افزایش سطح موثر برخورد با گاز و کاهش مقطع عرضی موثر زمان پاسخگویی کوتاهتری از خود نشان می دهد. از آنجایی که هدایت الکتریکی دی اکسید تیتانیم به طور اکسپونانسیلی با PO₂ و دما تغییر می نماید نحوه عملکرد حساسیت سنسورهای ساخته شده از آن نیز با دما تغییر می نماید. یک راه حل مهندسی جهت رفع این مشکل استفاده از یک ترموستات متصل به منبع حرارتی بوده تا بدین وسیله سنسور در یک دمای ثابت نگه داشته شود. این دمای ثابت بالاتر از دماهای گازهای خروجی است.

دی اکسید تیتانیم، تیتانیا، Tio2

از آنجایی که مقاومت الکتریکی دی اکسید تیتانیم در برخورد با یک مخلوط گازی تغییر می نماید بنابراین می تواند به عنوان کنترل کننده آلودگی های گازی در خودروها و کارخانجات صنعتی عمل نماید. اکسید تیتانیم به دلیل ارزان بودن و پایداری شیمیایی خوب در محیط های خورنده و داغ می تواند سنسور یا حسگر خوبی در برابر گازهایی چون اکسیژن، NO2، CO، اتانول، متانول و غیره باشد. پایداری ساختار، اندازه دانه ها، درصد تخلخل، مواد افزودنی و ... از عواملی هستند که بر روی درجه حسگری آن تاثیر می گذارند. به عنوان مثال با کاهش اندازه ذرات این خاصیت افزایش می یابد و امروزه حسگرهای نانو به بازار مصرف آمده اند. مواد مختلفی نظیر Cu، V، Mo، Nb، Pt، Si، Cr، Ta به دی اکسید تیتانیم اضافه شده تا بعضی اثرات مورد نظر را ایجاد نمایند چنانکه کروم، تانتال، نایوبیم، تنگستن مانع استحاله فازی آناتاز به روتیل شده و مانع رشد دانه در ضمن عملیات حرارتی می شوند. معمولا سنسورهای لایه نازک دمای کاری 400-200 درجه سانتی گراد را دارند در حالی که از نوع حجیم تر قابلیت عمل در دماهای بین 1000-600 درجه سانتی گراد را دارند. کاهش ضخامت حساسیت تبدیل فازی افزایش یافته و نمی توان سنسور را در دماهای بالا به کار برد.

در عمل برای ساخت سنسورهای از نوع اکسید تیتانیم یک فیلم نازک از دی اکسید تیتانیم بر روی یک زمینه سرامیکی به عنوان زیر لایه مانند آلومینا قرار می گیرد و دو الکترود پلاتینی تغییر مقاومت این لایه نازک را اندازه می گیرند. ایجاد فیلم نازک دی اکسید تیتانیم به کمک روش های رسوب فیزیکی از فاز بخار (PVD)، رسوب شیمیایی از فاز بخار (CVD)، سل – ژل، غوطه وری و کاشت یونی انجام می گیرد. اما روش سل ژل به دلیل سادگی فرآیند، نیاز به تجهیزات کم، هزینه پایین، ایجاد سطح ویژه بالا، کنترل ریز ساختار و قابلیت رشد فیلم بر روی تمام سطوح زیر لایه از متداول ترین آن ها می باشد. در روش سل ژل از ترکیباتی چون بوتوکسید تیتانیم یا ایزوپروپکساید تیتانیم به عنوان حامل یا پیش ماده تیتانیم، از دو پروپانول یا n-بوتانول به عنوان حلال، از اسید استیک، اسید کلریدریک و استیل استون به عنوان پایدار کننده استفاده می شود. زیر لایه از جنس آلومینا، یاقوت و شیشه و یا ویفر سیلیکونی بوده که به خوبی آلودگی زدایی شده و وارد محلول سل – ژل می شود. با هیدرولیز ترکیبات آلی – فلزی یک لایه نازک از هیدروکسید تیتانیم سطح مورد نظر را می پوشاند. با عملیات خشک کردن در دمای 110-170 درجه سانتی گراد حلال تبخیر شده و با عملیات حرارتی نهایی در 400-900 درجه سانتی گراد به مدت حدود یک ساعت هیدروکسیدها تجزیه شده و فازهای آناتاز، روتیل و بروکیت شکل می گیرند. فرآیند تکرار می شود تا ضخامت مورد نظر بدست آید.

دی اکسید تیتانیم به دلیل عدم ایجاد الکتریسیته ساکن و مقاومت به سایش بالا و اصطکاک سطحی کم به عنوان هدایت کننده الیاف نساجی مورد استفاده قرار گرفته به طوری که نخ را با سرعت 50 متر بر ثانیه هدایت می کند. روتیل جهت هدایت نخ های از جنس الیاف ریون، نایلون، ابریشم، کنف، شیشه و الیاف کتانی استفاده می شود. به علت چقرمگی پایین کمتر در کاربردهای سازه ای از آن استفاده می شود.

روش های سنتز پودر دی اکسید تیتانیم

ویرایش

ماسه های بادی و ساحلی به نام روتیل با 90 تا 98 درصد TiO₂، ایلیمنیت (Mg, Mn, Fe)TiO₃ با عیار 43 تا 61 درصد اکسید تیتانیم، سرباره های تیتان – آهن با 70 تا 85 درصد TiO₂ و روتیل مصنوعی با 85 تا 90 درصد TiO₂ مهم ترین منابع معدنی و صنعتی دی اکسید تیتانیم محسوب می شوند. برای تهیه دی اکسید تیتانیم خالص ابتدا منابع معدنی در دماهای بین 950 تا 1150 درجه سانتی گراد تکلیس شده تا آناتاز موجود در آن ها به روتیل تبدیل گردند.

-کلریناسیون

در روشی دیگر مخلوط منابع معدنی دی اکسید تیتانیم و کک در دماهای حدود 160 تا 175 درجه سانتی گراد مورد کلراسیون قرار گرفته به طوری که بخار تتراکلرید تیتانیم شکل می گیرد که با اکسیداسیون آن در یک اتمسفر اکسیژنی TiO₂ تشکیل می شود:

TiO₂ (روتیل) + C+Cl₂ = TiCl₆ +CO₂+ CO 900-1000^oC

TiCl₆+ O₂+N₂ = TiO₂+2Cl₂+N₂ 1000^oC

در عمل مخلوط مواد اولیه بعد از آسیا شدن تا حد 2 تا 10 میلی متر وارد یک راکتور شده و با گاز کلر در دمای 160 تا 175 درجه سانتی گراد مورد واکنش قرار می گیرد. کلر با اکسیدهای آهن و تیتانیم واکنش داده و ترکیبات کلرید آهن و تیتانیم به شکل گازی از انتهای تیوب خارج شده و به داخل یک بالن شیشه ای با دمای 4- درجه سانتی گراد هدایت می شوند. به طوری که با میعان یافتن بخارات، مایع سیاه رنگی از کلریدهای آهن و تیتانیم شکل می گیرد. با عملیات تقطیر جزء به جزء کلرید تیتانیم که نقطه جوش پایین تری دارد از کلرید آهن جدا می شود. ناخالصی های باقی مانده از قبیل سیلیسیم، وانادیم، زیرکونیم، نقره و ... توسط شستشو با اولئوم (اسید سولفوریک دود کننده) حذف می شوند. با اضافه کردن آب و الکل اتیلیک به کلرید تیتانیم هیدرولیز کامل صورت گرفته و حالت ژله ای مانند شکل می گیرد. ژل حاصله را کلسینه نموده تا اکسید تیتانیم حاصل شود. می توان از اکسیداسیون TiCl₄ توسط اکسیژن خشک در 650 تا 700 درجه سانتی گراد اکسید تیتانیم با خلوص بالا رسید که عموما به شکل روتیل است.

- روش سولفاتی

در این روش معمولا مواد به شکل ایلمنیت به صورت کاملا ریز آسیاب شده و در اسید سولفوریک غلیظ حل می گردد (150-200 درجه سانتی گراد) به طوری که سولفات آهن و تیتانیم شکل می گیرد. با افزایش قراضه یا براده آهن یون های آهن 3 به 2 تبدیل می شود. با تبخیر محلول و سرد نمودن بعدی مقادیر زیادی سولفات آهن 2 متبلور می شود (FeSO₄.7H₂O). بعد از عمل فیلتراسیون محلول مجددا به کمک بخار آب تا دمای بین 95 تا 110 درجه سانتی گرم شده تا اینکه سولفات تیتانیم به دی اکسید تیتانیم هیدراته هیدرولیز شده و رسوب نماید. می توان با افزایش پودر اکسید تیتانیم خالص به عنوان جوانه زا سرعت رسوب دهی را افزایش داد. با فرآیند تکلیس در دماهای بین 800 تا 1000 درجه سانتی گراد اکسید تیتانیم شکل می گیرد. لازم به ذکر است که کانی روتیل در اسید سولفوریک قابل حل نیست و برای تخلیص آن باید به روش دیگری عمل کرد.

موضوعات مرتبط: اکسیدها , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

کاربردهای اکسید زیرکونیم

جمعه 3 / 2 / 1393 ساعت 20:37 | بازدید : 2132 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

کاربردهای اکسید زیرکونیم (Zirconium Oxide Application) بسیار است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

کاربردهای دینامیکی:

زیرکونیا در شرایط مناسب ریزساختاری و فازی بالاترین مقاومت به ضربه را در بین سرامیک ها دارد و به همین دلیل در مواردی چون چوب گلف، قیچی سرامیکی، حدیده های کشش سیم، قالب های اکستروژن گرم، واشر در شیرها، پروانه پمپ های انتقال مواد شیمیایی و لجن ها، سر پیستون و آستر پیستون ها کاربرد دارد و کاربرد آن به عنوان اجزاء موتورهای حرارتی باعث شده تا از کاهش دمای موتور جلوگیری شده و بازده موتور افزایش یابد از طرفی میزان سایش کاهش یافته و عمر موتور افزایش می یابد. در همین راستا به عنوان سر سوپاپ، میل لنگ، شاتون و بادامک ها که مقاومت به سایش در آن ها اهمیت دارد، استفاده می شود. یک شرکت آمریکایی یک موتور تحقیقاتی از پوسته نیترید سیلیسیم و اجزای زیرکونیایی طراحی نموده است که مصرف سوخت آن به طور قابل توجهی پایین است. جهت پایداری شیمیایی زیرکونیا در دماهای بالا مطالعه آن جهت کاربرد در سیستم های حرارتی اگزوز، موتور جت و موشک،توربین های گازی به طور جدی دنبال می شود.

اکسید زیرکونیم، زیرکونیا

المنت حرارتی:

در دماهای بالا نقص های شبکه ای زیاد شامل حامل بار الکتریکی در زیرکونیا به وجود آمده که نتیجه آن افزایش هدایت الکتریکی می باشد. غلظت این عیوب می تواند با افزایش کاتیون های ثانویه چون کلسیم و یا کاتیون های با ظرفیت متغیر افزایش یابد.

به عنوان مثال با افزایش CeO₂ دانسیته حامل های بار الکترونی افزایش می یابد:

$bold Ce to the power of bold 3 bold plus end exponent bold rightwards double arrow bold Ce to the power of bold 4 bold plus bold space end exponent bold plus bold e$

مطابق آنچه گفته شد با افزایش دما مقاومت الکتریکی زیرکونیا کاهش می یابد به طوری که زیرکونیای تثبیت شده در 200 درجه سانتی گراد مقاومت حدود 2300 اهم بر متر را داشته اما در دمای 700 درجه سانتی گراد این مقاومت به 0.4 می رسد. از طرفی به دلیل دیرگدازی و مقاومت به اکسیداسیون و شوک حرارتی بالا برای زیرکونیا باعث شده تا زمینه های کاربردی آن به عنوان المنت های حرارتی در کوره های الکتریکی تا دمای 2000 درجه سانتی گراد ایجاد شود. المان های فلزی تا 1300 درجه سانتی گراد (کانتال) و از نوع پلاتینیم تا 1600 درجه سانتی گراد را تحمل می نمایند. المان های سرامیکی مثل کاربید سیلیسیم تا 1560 و سوپر کانتال دی سیلیسید مولیبدن تا 1800 درجه سانتی گراد را تحمل می نماید. اما این دو سرامیک محدودیت جدی به دلیل اکسیداسیون در دماهای بالا دارند. زیرکونیا نه تنها مشکل اکسیداسیون را نداشته بلکه از هدایت حرارتی بالاتری در دماهای بالا نسبت به سرامیک های یاد شده برخوردار است. برای حل مشکل هدایت کم زیرکونیا در دماهای پایین از کنتاکت های پلاتین در دو انتهای آن استفاده می شود. بدین ترتیب تا 1000 درجه سانتی گراد به واسطه المان های مقاومتی فلزی پیش گرم شده و به اندازه کافی رسانا می گردد. پیش گرم کردن می تواند به وسیله جا دادن یک ماده حساس (پذیرنده) مانند کاربید سیلیسیم در داخل زیرکونیا صورت پذیرد. این سیستم مشکل کنتاک های الکتریکی را نداشته ولی بازده انرژی کمتری دارد و المان های زیرکونیایی در 1800 درجه سانتی گراد قابلیت تحمل بیش از 10000 ساعت را دارند.

دیرگداز:

زیرکونیای تثبیت شده به جهت نقطه ذوب بالا و خواص شیمیایی عالی به عنوان یک نسوز مناسب مطرح است. حضور ذرات زیرکونیای تثبیت نشده در نسوزهایی مانند آلومینا باعث افزایش مقاومت به سایش و مقاومت به شوک حرارتی شده و کاربرد آن را در مواردی چون شیرهای راهگاهی لغزنده در تجهیزات فرآیند ریخته گری مداوم فولاد و یا نازل ها و افشانک های خروج مذاب در پاتیل های میانی و سیتم های کشویی پاتیل ها امکان پذیر می کند. در حقیقت با تحول فازی، شبکه ای از ترک های ریز شکل گرفته که باعث مهار رشد ترک اصلی می شود. در همین راستا از زیرکونیا در ساخت بوته های ذوب فلز به خصوص ذوب فلزات گران بها و سوپر آلیاژ (مصرفی در پره های توربین)، بوته های چینی آزمایشگاهی و شیمیایی، نسوزهای مقاوم در برابر شوک حرارتی در آستر کوره ها و پاتیل ها، ابزارآلات کوره های پخت سرامیک استفاده می شود. محدودیت اصلی آن مقاومت کم در برابر حمله سرباره های بازی و اکسید آهن می باشد.

مذاب تیتانیم حالت خورندگی شیمیایی و مکانیکی شدیدی داشته به طوری که هیچ نوع دیرگدازی تا کنون نتوانسته در برابر آن مقاومت کند. زیرکونیا تنها دیرگدازی است که به وسیله تیتانیم تر نشده و درآن حل نمی شود.

فیبرهای نسوز:

زیرکونیا یک عایق حرارتی خوب به شکل های فیبر، کاغذ، نمد و ورق در دماهای بالا مطرح می باشد. فیبرهای زیرکونیایی که فویل های کریستاله بوده و از اندازه دانه با اندازه 0.2 میکرون برخوردار می باشد تحمل دماهای 1650 تا 1700 درجه سانتی گراد را دارد. با عبور ماده آلی از جنس ابریشم مصنوعی از داخل محلول آبی کلرید زیرکونیم و کلرید ایتریم پوششی از زیرکونیا بر روی آن ها قرار می گیرد. فیبرهای آلی در دماهای به اندازه کافی بالا سوخته شده و خارج می شوند. فیبرهای زیرکونیایی به دست آمده به منظور کریستالیزه شدن در دماهای بین 800 تا 1300 درجه سانتی گراد تحت عملیات حرارتی قرار گرفته و در نهایت پخت می شوند. این فیبرها به عنوان جدا کننده در باتری های فضایی، فیلترهای گاز گرم ، دیافراگم پوشش های حرارتی و شیمیایی مصرف دارند.

پوشش محافظ حرارتی:

وجود یک پوشش نازک سرامیکی بر روی تیغه های فلزی رتورهای توربین باعث افزایش دمای کاربرد آن ها به میزان 100 تا 200 درجه سانتی گراد و در نتیجه افزایش بازده موتور توربین بین 6 تا 12 درصد می شود. معمولا لایه ای از زیرکونیا به صورت پلاسما تا ضخامت 0.06 سانتی متر به واسطه یک لایه میانی (0.07 سانتی متر) بر روی فلز قرار می گیرد. لایه میانی یک ترکیب سرامیکی با ضریب انبساط حرارتی نزدیک به فلز بوده و به عنوان اتصال دهنده فلزی عمل می نماید. پوشش زیرکونیا از پایداری شیمیایی خوبی برخوردار بوده و در محیط هایی چون توربین گازی به خوبی عمل می نماید.

اعمال پوشش های زیرکنیایی به روش سل – ژل بر روی سطح رولرهای سرامیکی به دلیل ضریب انبساطی کم از دیگر موارد قابل ذکر است. عمر مفید رولرهای سرامیکی در کوره های پخت سرامیک به دلایل زیر پایین است: 1- حضور گازهای احتراقی چون بخار آب، دی اکسید و منواکسید کربن، دی اکسید گوگرد و سولفید هیدروژن

2- وجود شیب حرارتی و بالطبع تنش های حرارتی

3- وجود بخار اکسیدهای قلیایی چون اکسیدهای سدیم، پتاسیم و لیتیم که در دماهای پخت بالاتر از 900 درجه سانتی گراد در کوره ایجاد شده و در لایه سطحی رولرها نفوذ و منشا واکنش های شیمیایی خورنده آن می شوند.

4- تنش های مکانیکی ناشی از وزن رولر، وزن قطعات و حرکات پیچشی رولر در قسمت جهنم کوره موجب خزش و شکست رولر می شوند.

5- تماس با لعاب بدنه و نفوذ فاز شیشه از سطح بدنه سرامیکی به سطح رولر.

عوامل فوق نه تنها باعث کاهش کیفیت محصولات می شود بلکه زیان های اقتصادی را به دنبال دارد. جهت افزایش عمر این رولر ها یک لایه پوشش سل – ژل زیرکونیایی بر روی سطح آن ها اعمال می شود که مهمترین نقش آن جلوگیری از نفوذ گازها و بخارهای اکسیدهای قلیایی خورنده می باشد.

کاربردهای الکتریکی:

با مخلوط کردن اکسیدهای زیرکونیم، سرب و تیتانیم به نسبت معین ترکیب زیرکونات سرب و تیتانیم حاصل شده که دارای کاربردهای الکتریی و الکترونیکی می باشد. در ترکیب Pb(ZrTi)O3هر یون سرب با 12 یون اکسیژن و هر یون زیرکونیم یا تیتانیم با 6 یون اکسیژن همسایه بوده و تشکیل یک شبکه FCC می دهند. به علت بزرگ بودن یون های سرب شبکه حالت انبساطی داشته و یون های زیرکونیم دقیقا در مرکز شبکه قرار نداشته و واحد شبکه از نظر بار الکتریکی متقارن نبوده به صورت یک دو قطبی عمل می کند. با اعمال یک میدان الکتریکی دو قطبی های الکتریکی در جهت معینی منظم شده و به اصطلاح نمونه قطبی می شود. بسته به نوع میدان اعمال شده سرامیک انبساط و یا انقباض از خود نشان می دهد که به پدیده پیزوالکتریک معروف است. بالعکس اگر یک نیروی خارجی بر سرامیک اعمال شود تغییری در ابعاد دو قطبی ها باعث ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سر نمونه سرامیکی می شود یعنی پدیده پیزوالکتریک دو طرفه است. از این نوع پیزوالکتریک ها به عنوان استارترهای گازی مبدل مکانیکی – الکتریکی در سیستم ضبط صوت، ترانس و دیودهای ماورا صوت، تولید کننده موج های فشاری صوتی برای اکو، شتاب سنج ها، میکروفن ها و بلند گوها استفاده می شود.

شیشه و لعاب:

زیرکونیا به دلیل مقاومت بسیار بالا در برابر محیط های قلیایی کاربرد آن در لعاب ها و شیشه ها و یا نسوزها گسترش یافته است. فیبرهای شیشه ای شامل 6 تا 16 درصد زیرکونیا به عنوان فیلمنت های مسلح کننده در بتن کاربرد پیدا نموده است. یون های زیرکونیم در شیشه تمایل به پیدا کردن عدد همسایگی 4 دارند بدین ترتین در شبکه سیلیکات قرار می گیرند در حالی که در سرد شدن شبکه سیلیکات تمایل به یافتن عدد همسایگی 6 را دارد که برای زیرکونیم امکان پذیر نیست. بنابراین از شبکه جدا شده و به عنوان عامل جوانه زا عمل می کند. از طرفی حلالیت آن در مذاب سیلیکات محدود می باشد (4-3)% سعی بر این است که زیرکونیا به شکل ناپایدار تتراگونال در شبکه Na₂O-SiO₂-ZrO₂-Al₂O₃ در دماهای حدود 940 درجه سانتی گراد متبلور شود. در لعاب ها به عنوان مات کننده و در لعاب های سفید که بر روی ورقه های آهنی به کار می رود به عنوان عامل رسوب کننده محسوب می شود.

پایه رنگدانه های سرامیکی:

رنگدانه های بر پایه زیرکونیا به دلیل مقاومت خوبی که در شرایط حاد شیمیایی و حرارتی از خود نشان می دهند به طور گسترده در صنایع کاشی، ظروف غذاخوری، چینی بهداشتی مورد استفاده قرار می گیرند. از چهار رنگ اصلی سه تای آن ها بر پایه زیرکونیا می باشد. رنگ آبی در حضور اکسید وانادیم، زرد و در حضور پرازئودیمیم و قرمز تا صورتی در حضور اکسید آهن مورد استفاده قرار می گیرد. در تمامی رنگ های بر پایه زیرکونیا، ZrO₂ با سیلیکا ترکیب شده و تشکیل شبکه سیلیکات داده به طوری که یون های رنگ دهنده (کروموفور) در داخل این شبکه جایگزین تعدادی از یون های زیرکونیم می شود. البته مینرال سازهایی برای شدت بخشیدن تشکیل زیرکن (سیلیکات زیرکونیم) اضافه می شود و بر شدت رنگ اثر می گذارد.

ساینده ها و ابزارهای برشی:

زیرکونیا به واسطه تحول فازی تنش های فشاری در سطح ایجاد نموده و به همین دلیل کاربردهای نوینی در ابزار های برنده و مقاوم در برابر سایش پیدا کرده است. چرخ های ساینده آلومینا – زیرکونیا هفت برابر بهتر از چرخ های آلومینای خالص کار می کنند. کاربرد آن به عنوان گلوله های بال میل، انواع قیچی های برش و یا تیغه های برش در صنعت برش دهنده در صنعت کاغذ، هدایت کننده الیاف نساجی و بسیاری موارد دیگر متداول شده است. عمر بسیار زیاد و دوره کار طولانی مدت و فاصله زمانی استراحت کم این نوع ابزار ها موجب جبران قیمت اولیه می شود.

اکسید زیرکونیم، زیرکونیا

سنسور اکسیژنی:

در اتومبیل های مسئله افزایش راندمان سوخت و کنترل آلودگی مهمترین پارامترها بود و تا به حال راه حل مختلفی برای آن ارائه شده است. به طوری که جهت کاهش آلاینده های خروجی چون منواکسید، اکسیدهای نیتروژن و هیدروکربن ها از کاتالیست های مختلف استفاده می شود. تبدیل کننده های کاتالیستی فقط در یک دامنه محدود از شرایط احتراق (نسبت معنی از سوخت به هوا) می توانند مفید واقع شوند. از آنجایی که غلظت اکسیژن در گازهای خروجی بسته به نسبت هوا / سوخت از ^9-10 تا ^21-10 اتمسفر تغییر می کند، بنابراین می تواند معیار خوبی برای اندازه گیری راندمان و کنترل شرایط احتراق باشد. بر همین اساس اتومبیل های جدید مجهز به یک سیستم اتوماتیک تنظیم سوخت و هوا بر اساس سنسور اکسیژنی هستند که عمدا از جنس سرامیک های الکترولیتی یونی هستند. این نوع سنسورها با دو مکانیزم مختلف عمل می کنند یکی بر اساس پتانسیل الکتروشیمی ناشی از اختلاف فشار اکسیژن که بیشتر در مورد سرامیک های زیرکونیا مطرح است و دیگری بر اساس وابستگی هدایت الکترونیکی به فشار اکسیژن می باشد که در راستای آن سنسورهای TiO₂ و ZrO₂ توسعه یافته است.

تولید هیدروژن:

تبدیل آب به هیدروژن پر هزینه بوده با وجود این از آن جهت بالا بردن راندمان نیروگاه های حرارتی استفاده می شود. با الکترولیز در دماهای بالا می توان بازده تولید هیدروژن را بالا برد این هدف با استفاده از یک غشا متخلخل زیرکونیای تثبیت شده انجام می گیرد به طوری که بخار آب در کاتد به واسطه اعمال ولتاژ تجزیه شده و یون اکسیژن از میان غشا گفته شده جریان می یابد در حالی که هیدروژن از مدار خارج می شود. الکترودها از جنس پروسکایت انتخاب شده و از نظر اقتصادی نسبت به فلزات نادر ارجحیت دارد.

پیل سوختی:

پیل های سوختی دمای بالا به عنوان تکنولوژی پیشرفته در افزایش راندمان تولید انرژی و کاهش آلودگی مطرح هستند. اساس کار آن ها بر پایه تبدیل سوخت های فسیلی به انرژی الکتریکی به واسطه یک سری واکنش های الکتروشیمیایی می باشد. به عبارتی مخلوط گازی قابل احتراق (H₂+CO) از سطح داخلی زیرکونیایی که به شکل یک لوله می باشد عبور نموده در حالی که جریانی از هوا یا اکسیژن در امتداد سطح خارجی زیرکونیا عبور می نماید بدین ترتیب به واسطه اختلاف فشار اکسیژن در دو طرف سطح جریانی از نفوذ یون های اکسیژن از جداره لوله زیرکونیایی به عنوان الکترولیت به سمت داخل لوله برقرار می گردد. با عبور اکسیژن از درون الکترولیت (ZrO₂-Y₂O₃) گازهای H₂ و CO امکان احتراق پیدا نموده و گازهای CO₂ و H2O تولید می شود، انرژی آزاد حاصل از واکنش های احتراق به یک جریان الکترکی تبدیل شده که به صورت کار مفید در مدار خارجی استفاده می شود. الکترولیت جامد از ZrO₂ تثبیت شده با هدایت یونی بالا بوده که تلفات ناشی از مقاومت پیل را به حداقل می رساند. ولتاژ پیل در 1000 درجه سانتی گراد بر اساس معادله نرنست حدود یک ولت می باشد. به منظور ایجاد جریان و ولتاژ بالاتر پیل ها به طور موازی و یا سری ترکیب می شوند. گاز هیدروژن به علت عدم ایجاد آلودگی به عنوان سوخت ترجیح داده می شود. گازهای محترق خروجی دمای حدود 800 درجه سانتی گراد را داشته که می تواند مورد استفاده قرار گیرد. در این فرآیند احتمال رسوب کربن روی الکترودها وجود داشته که بازده را به شدت می کاهد. با استفاده از گازهای طبیعی مانند متان یا اتان و با کنترل درجه اکسیداسیون می توان محصولات مختلفی را ایجاد کرد (الکل، استن، ...). بدین ترتیب این نوع پیل ها با مصرف گاز طبیعی به عنوان سوخت اولیه می تواند به دو منظور تولید الکتریسیته و تولید محصولات جانبی به کار گرفته شود.

اکسید زیرکونیم، زیرکونیا

باتری های ذخیره کننده:

از هدایت کننده های کاتیونی مانند زیرکونیا به عنوان باتری های ذخیره کننده استفاده می شود. در حقیقت زیرکونیا در این نوع باتری ها به عنوان جدا کننده آند و کاتد چون سدیم و گوگردعمل می نماید. به واسطه واکنش های انجام گرفته بین آند و کاتد توان الکتریکی حاصل می شود. پتانسیل تولید شده بستگی به ترکیب شیمیایی زیرکونیا و هدایت یونی آن دارد. از الکترولیت های مناسب دیگر برای این باتری ها می توان به سرامیک هایی چون ZrO₂+CeO₂ ، β-Al₂O₃ شیشه های قلیایی و یا یدیدهای فلزی مانند AgI اشاره نمود.

سایر کاربردها:

زیرکونیا به واسطه سطحی با اصطکاک کم و حداقل جذب نوترون های برخوردی به آن به عنوان بازتاب دهنده های نوترونی در راکتورهای اتمی کاربرد دارد. این سرامیک جایگزین بسیار خوبی برای آلومینا یا آلیاژهای فلزی در کاربردهای ارتوپدیک در بدن انسان می باشد. اکسید زیرکونیم مکعبی به عنوان جواهر مصنوعی نیز کاربرد دارد.

اکسید زیرکونیم، زیرکونیا