Какова взаимосвязь между глиноземом, корундом и сапфиром?
①Глинозем
В широком смысле многие считают глинозем общим термином для оксидов алюминия, гидроксидов алюминия и т. п., которые представляют собой класс соединений, состоящих из алюминия, кислорода и водорода.
Однако, строго говоря, глинозем, а именно оксид алюминия с химической формулой Эл₂O₃, — это оксид, уступающий по содержанию в земной коре только диоксиду кремния. Он широко встречается в таких минералах, как полевой шпат и слюда. В промышленности его часто добывают из бокситов, природного минерального сырья, для получения глинозема.
Кристаллическая структура оксида алюминия сложна и имеет множество аллотропов, которые можно разделить на более чем десять кристаллических форм, таких как α, β, γ, δ, ε, ζ, η, θ, κ, λ, ρ и χ. Среди них α-Эл₂O₃ является стабильной фазой, в то время как другие кристаллические формы являются переходными фазами. Все эти переходные фазы преобразуются в α-фазу при температуре 1200 °C. Процесс превращения включает разрыв и рекомбинацию химических связей, что относится к перестройке решетки. Он требует очень большого количества энергии и является необратимым процессом. α-Эл₂O₃ и γ-Эл₂O₃ широко используются в промышленности.
α-Эл₂O₃, обычно называемый корундом, относится к тригональной сингонии с плотностью 3,96–4,01 г/см³. Это неорганический неметаллический материал с чрезвычайно стабильными химическими свойствами, обладающий высокой твёрдостью (твёрдость по шкале Мооса 9), высокой температурой плавления (2050 °C), высокой прочностью, хорошей износостойкостью, превосходной коррозионной стойкостью и высоким удельным сопротивлением. Поэтому микропорошок α-Эл₂O₃ широко используется в таких областях, как производство огнеупорных материалов, специальной керамики, абразивных материалов, химической промышленности и электроники.
γ-Эл₂O₃ имеет дефектную шпинельную структуру с недостаточным количеством ионов алюминия и относится к активированному оксиду алюминия. Он широко используется в семействе оксидов алюминия и играет ключевую роль в области адсорбции, катализаторов и их носителей.
②Корунд
Корунд — название драгоценного камня, природного кристалла α-Эл₂O₃. Чистый корунд бесцветен и безупречен, но встречается довольно редко. Природный корунд обычно содержит следы железа, титана, хрома, никеля и других элементов, поэтому он бывает разных цветов: чёрный, тёмно-синий, сине-серый, жёлто-серый, коричневый, бежевый и так далее.
По области применения корунд подразделяется на ювелирный и технический. Технический корунд в основном используется в производстве высококачественных абразивных материалов и может быть использован для изготовления корундовых шлифовальных кругов, дисков, наждачной бумаги и абразивного порошка. Он используется для полировки и обработки металлических изделий, а также в качестве подшипников для быстровращающихся деталей прецизионных приборов. Ультратонкий корунд широко применяется для шлифования и ремонта оптического стекла прецизионных приборов.
В связи с дефицитом природного корунда, необходимым для удовлетворения спроса, в промышленности появился искусственный корунд. Основные различия между этими видами корунда заключаются в различном содержании глинозема и различных процессах его производства.
Коричневый корунд
Основная фаза коричневого корунда — Эл₂O₃ (94,5–97%), а примесные фазы включают SiO₂, CaO, Фе₂O₃, MgO и др. Он имеет коричневый цвет. Благодаря высокой твёрдости, относительно высокой прочности и низкой стоимости, он является одним из наиболее распространённых абразивных материалов в области шлифования и часто применяется для шлифования обычных стальных материалов.
Белый корунд
Белый корунд (Вашингтон) получают из порошка глинозема методом плавки и кристаллизации. По сравнению с коричневым корундом, к нему предъявляются более высокие требования по теплоизоляции и воздухопроницаемости в электродуговых печах при производстве. Он имеет чисто-белый цвет и высокую чистоту, но в его кристаллах присутствуют остаточные поры. Он твёрдый и хрупкий, его абразивные зерна легко разрушаются при шлифовании, но выделяет мало тепла. Он подходит для шлифования закалённой стали, высокоуглеродистой стали и т.д.
Микрокристаллический корунд
Процесс плавки микрокристаллического корунда (МК) примерно такой же, как и у коричневого корунда, но требует определённого охлаждения расплавленной жидкости. Получающиеся абразивные частицы состоят из множества мельчайших кристаллических зёрен размером менее 300 мкм. Благодаря повышенной прочности, способности к самозатачиванию и высокой прочности он подходит для шлифования углеродистой и нержавеющей стали и т. д.
Циркониевый корунд
Циркониевый корунд (ЦА) получают путем плавки порошка боксита или глинозема с цирконом в электродуговой печи. Содержание ZrO₂ составляет 25–45%. По сравнению с другими видами абразивов он обладает превосходной прочностью и может использоваться для высоконагруженного и высокоточного шлифования.
Черный корунд
Чёрный корунд (БА), также известный как искусственный наждак, получают путём смешивания и спекания боксита и кокса. Он содержит оксид железа и небольшое количество примесей, отличается низкой ценой, но низкой твёрдостью и низкими режущими свойствами.
③Сапфир и рубин
Сапфиры и рубины на самом деле представляют собой высококачественные корунды, легированные небольшим количеством различных оксидов. Рубины — это прозрачные кристаллы корунда ювелирного качества красного ряда, в то время как сапфиры — это прозрачные кристаллы корунда ювелирного качества различных цветов, кроме красного. Следует отметить, что сапфиры бывают не только синего цвета.
Помимо использования в качестве драгоценного камня, сапфир, благодаря своим превосходным физическим, химическим и оптическим свойствам, широко применяется в передовых технологиях, таких как твердотельные лазеры, инфракрасные окна, подложки для полупроводниковых чипов и медицина.
④Заключение
Глинозем, или триоксид алюминия, имеет химическую формулу Эл₂O₃. Он имеет множество полиморфных модификаций, среди которых наиболее распространены α-Эл₂O₃ и γ-Эл₂O₃.
Корунд — название драгоценного камня, природного кристалла α-Эл₂O₃. В связи с нехваткой природного корунда для удовлетворения спроса, в промышленности появился искусственный корунд, который подразделяется на монокристаллический и поликристаллический.
Сапфиры и рубины представляют собой монокристаллы α-Эл₂O₃, которые приобретают различную окраску из-за легирования небольшими количествами различных оксидов, а также являются разновидностью высококачественного монокристаллического корунда.