Aluminiumoxid

Kristallstruktur
Allgemeines
Name	Aluminiumoxid
Andere Namen	Korund (Mineral) Tonerde Aluminium(III)-oxid
Verhältnisformel	Al2O3
CAS-Nummer	1344-28-1
Kurzbeschreibung	weißer, geruchloser Feststoff[1]
Eigenschaften
Molare Masse	101,96 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	3,94 g·cm−3[1]
Schmelzpunkt	2050 °C[1]
Siedepunkt	2980 ± 60 °C[1]
Löslichkeit	unlöslich in Wasser, schwer löslich in Säuren und Basen[1]
Brechungsindex	1,77 (Saphir @500 nm)[2]
Sicherheitshinweise
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [1] keine Gefahrensymbole R- und S-Sätze R: keine R-Sätze S: 22
MAK	1,5 mg·m−3 als Feinstaub[3]
LD50	> 5000 mg·kg−1 (Ratte, oral)[1]
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0	−1676 kJ·mol−1[4]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

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Aluminiumoxid auf einer Glasschale

Aluminiumoxid ist die Sauerstoffverbindung des chemischen Elements Aluminium. Im technischen Bereich wird Aluminiumoxid als Elektrokorund oder kurz als ELK bezeichnet.

Gewinnung und Darstellung

Aus Bauxit wird Aluminiumhydroxid durch Aufschließen in Natronlauge gewonnen (Bayer-Verfahren).^[5] Durch Entziehen des Wassers, z. B. durch Brennen, Sintern oder Kalzinieren erhält man Aluminiumoxid.

Die Darstellung von Aluminiumoxid kann auch durch vorsichtiges Dehydrieren von Gibbsit (Hydrargillit) oder Böhmit erfolgen.

Aluminiumoxid entsteht zudem bei der Verbrennung von Aluminiumpulver mit Ammoniumperchlorat in Feststoffraketen.

Das reine Metall Aluminium weist nach Lagerung an Luft eine dünne spontane Aluminiumoxidschicht (Selbstpassivierung) auf, die es vor Korrosion schützt. Mittels einer elektrolytisch aufgebrachten Aluminiumoxidschicht werden durch Eloxieren die Aluminiumoberflächen von Gebrauchsgegenständen mit einer extrem harten (etwa Mohs-Härte 9) und korrosionsbeständigen Schutzschicht versehen. Zur Fertigung von Elektrolytkondensatoren verwendet man diese eloxierten Aluminiumsorten.

Eigenschaften

Modifikationen

Die wichtigsten Modifikationen des Aluminiumoxides sind:

• das kubische γ-Al₂O₃ (Tonerde, Ausgangsstoff zur Keramik- und Aluminiumherstellung)
• das rhomboedrische (trigonale) α-Al₂O₃ (bekannt als Mineral Korund, Saphir oder – bei Chromdotierung – Rubin, als Schleifmittel und Aluminiumoxid-Keramik)
• ebenso ist noch die β-Tonerde (β-Al₂O₃) bekannt, hierbei handelt es sich um einen historischen Irrtum. Dabei handelt es sich um die Verbindung von Na₂O und Al₂O₃ zu Na₂Al₂₂O₃₄ (Na₂O*11Al₂O₃), bekannt auch unter dem Mineralnamen Diaoyudaoit^[6]

Physikalische Eigenschaften

Al₂O₃ ist ein sehr guter Isolator und besitzt sehr hohe Durchschlagsfestigkeit von 35 kV/mm. Der spezifische Widerstand beträgt bei 20 °C 10¹² Ω m, bei 1000 °C sinkt er auf 10⁷ Ω·m. Die relative Permittivität beträgt 9–10 bei 100 MHz, der Verlustwinkel etwa 10⁻⁴.^[7][8]

Die Wärmeleitfähigkeit besitzt den für Keramikmaterialien vergleichsweise sehr hohen Wert 35,6–39 W/(m·K), der Ausdehnungskoeffizient liegt im Bereich 6,5–8,9·10⁻⁶ K⁻¹.^[8] Die Anwendungstemperatur des Keramikmaterials soll unter 1900 °C liegen, die Schmelztemperatur beträgt 2072 °C.

Chemische Eigenschaften

Al₂O₃ ist ein amphoteres Salz, das heißt, es kann als Säure (in Verbindung mit einer Base) oder als Base (in Verbindung mit einer Säure) reagieren.

Das γ-Al₂O₃ ist ein hygroskopisches, weißes, lockeres Pulver, das nicht in Wasser, dafür in starken Säuren und Basen löslich ist. Bereits ab 800 °C geht das γ-Al₂O₃ in das in Säuren wie Basen im Allgemeinen unlösliche α-Al₂O₃ über.

γ-Al₂O₃ ist ein poröses Material, dessen Oberflächenstruktur stark von dem Herstellungsprozess, beziehungsweise dessen Temperatur, beeinflusst werden kann. In der Chromatographie wird es als stationäre Phase verwendet.

Mit verschiedenen Metalloxiden bildet Aluminiumoxid Aluminate.

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumoxidkeramik hängen von der Reinheit und dem Gefüge der hergestellten Keramik ab. Je reiner die Sorte ist, desto bessere Eigenschaften werden in der Regel erzielt, desto aufwendiger wird aber auch der gesamte Herstellungsprozess. Neben den in der unten aufgeführten Eigenschaften ^[9] zeichnet sich Aluminiumoxidkeramik auch durch sehr gute tribologische Eigenschaften bzw. ein sehr gutes Reibungs- und Verschleißverhalten aus:

Mechanische Eigenschaften von Aluminiumoxid nach Reinheit^[9]

Eigenschaft	96 %	99,8 %
Dichte	3,75 g/cm³	3,96 g/cm³
Biegefestigkeit	310 MPa	630 MPa
Weibullmodul	13	15
Druckfestigkeit	2500 MPa	4000 MPa
Bruchzähigkeit	4,0 MPam½	4,3 MPam½
E-Modul	350 GPa	406 GPa
Vickershärte HV1	1620	2000

Verwendung

Hybridschaltung auf einem Aluminiumoxidkeramik-Substrat

Natriumdampf-Hochdrucklampen mit Entladungsrohren (dies sind die matten Stäbe im Inneren) aus transparenter Aluminiumoxid-Keramik

Das α-Al₂O₃ hat eine Mohs-Härte von 9 bis 9,5 und wird unter anderem zu Lagersteinen von Messinstrumenten und Uhren, sowie zu Schleifmitteln verarbeitet. Basis dafür ist häufig das als Nebenprodukt der Aluminothermie anfallende Alundum.

Kalzinierte Aluminiumoxide werden in der Keramik (z. B. in Waschbecken, Hotelgeschirr, schusssicherer Bekleidung) oder im weitesten Sinn als Poliermittel (z.B. in Glaskeramikreinigern, Autopflegemitteln, Bremsbelägen, Zahnpasten) verwendet. Weiterhin dient gesintertes α-Al₂O₃ (Sinterkorund) als feuerfestes Material in Ofenauskleidungen oder Laborgeräten.

Mit Verunreinigungen durch geringe Mengen an Cr₂O₃ beziehungsweise TiO₂ bildet der Korund die Edelsteine Rubin (Uhrensteine, Ziehsteine, Rubinlaser) und Saphir.

Mit Ti₂O₃ dotierte Al₂O₃-Einkristalle bilden das Herzstück des Titan:Saphir-Lasers.

γ-Al₂O₃ dient als Adsorbens und als Katalysatorträger, sowie als Katalysator selbst.

In der Elektrotechnik wird Aluminiumoxid-Keramik wegen ihres geringen dielektrischen Verlustfaktors als Dielektrikum eingesetzt. Haupteinsatzbereich ist dabei die Realisierung von Streifenleitungen und Kondensatoren in der Hochfrequenztechnik. Aluminiumoxid-Keramikplatten dienen auch als Substrat für die Dickschichttechnik,Dünnschichttechnologie und für Platin-Temperaturmesswiderstände (siehe PT100). Die gute Metallisierbarkeit dieser Keramik ermöglicht auch das direkte Auflöten elektronischer Bauelemente wie Widerstände oder LEDs. Die Keramik fungiert dabei auch gleichzeitig als Kühlkörper. Diese Keramik-Elektroniksysteme sind genauso effektiv wie Systeme, die metallische Kühlkörper enthalten. Auch zur Herstellung von Sicherungskörpern werden Aluminiumoxide verwendet.

Die hohe Durchschlagsfestigkeit und maximale Betriebstemperatur von bis zu 1900 °C machen Aluminiumoxid zum idealen Isolator bei Zündkerzen.

Im Anlagen und Maschinenbau wird Aluminiumoxidkeramik insbesondere zum Verschleiß- und Korrosionsschutz eingesetzt. So werden zum Beispiel Transportrinnen und Rutschen, Trommelmühlen und Mischer mit Kacheln aus Hochleistungskeramik ausgekleidet, um die Standzeiten der Anlagen zu erhöhen. Aber auch beim Plasma-Schweißen haben sich Düsen aus Aluminiumoxid bewährt. Aufgrund der guten tribologischen Eigenschaften haben sich insbesondere Bauteile wie Dicht- und Regelscheiben, Lagerbuchsen und –wellen, Fadenführer in der Textilindustrie sowie Hüftgelenkskugeln und Pfannen in der Endoprothetik bewährt. Innovativ ist auch der Einsatz von Keramiknoppen in der Anlaufspur von Skisprungschanzen.

Hochreine, großkristalline und daher transparente Aluminiumoxid-Keramik dient der Herstellung von Brennerrohren von Hochdruck-Gasentladungslampen (Natriumdampflampen, Halogen-Metalldampflampen). Früher verwendete man es auch als Ultraviolett-transparentes Fenstermaterial für EPROMs.

Neueste Sinterverfahren machen es möglich, Aluminiumoxid zur Herstellung extrem fester und bruchsicherer Gläser einzusetzen, z. B. bei Armbanduhrengläsern.^[10]

In letzter Zeit werden Al₂O₃-Keramiken auch in Panzerungen von Fahrzeugen verwendet.^[11] Die Keramikkacheln werden dabei auf ein Aramid- bzw. Dyneema-Gewebe geklebt. Diese Art der Panzerung erreicht, bei einem gleichen Flächengewicht die doppelte Schutzwirkung von Panzerstahl. Die Keramik fragmentiert das Geschoss, die Aramid-Fasern fangen anschließend die Bruchstücke auf.

Al₂O₃ wird mit der Bezeichnung Elektrokorund (ELK) in den Handel als Edelkorund, Halbedelkorund und Normalkorund gebracht. In einem elektrischen Ofen wird es bei etwa 2.000 °C hergestellt. Der dabei entstehende Schmelzkuchen wird zerschlagen und nach in der DIN festgelegten Körnungen abgesiebt. Edelkorund wird in der Technik als Schleifmittel bei Herstellung von Schleifscheiben verwendet. Es wird auch als Strahlmittel und als Polierpulver verwendet.

Weitere Aluminiumoxide

Neben dem dreiwertigen Aluminiumoxid sind noch zwei weitere Aluminiumoxide in niedrigeren Oxidationsstufen, Aluminium(I)-oxid und Aluminium(II)-oxid bekannt. Diese sind jedoch nur bei hohen Temperaturen in der Gasphase stabil.^[12]

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d e f g} Datenblatt Aluminiumoxid bei Merck, abgerufen am 20. Februar 2007.
2. ↑ http://refractiveindex.info/?group=CRYSTALS&material=Al2O3
3. ↑ Eintrag zu Aluminiumoxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 23. Dezember 2007 (JavaScript erforderlich).
4. ↑ PAETEC Formelsammlung Ausgabe 2003, S. 116.
5. ↑ Klaus D Linsmeier: Technische Keramik - Werkstoff für höchste Ansprüche. In: Die Bibliothek der Technik. Band 208, 2010, S. 13–15, ISBN 978-3-937889-97-9.
6. ↑ http://www.webmineral.com/data/Diaoyudaoite.shtml
7. ↑ Aluminiumoxidkeramik DIN EN 60 672, Typ C799. Metoxit AG, Januar 2007, abgerufen am 19. August 2010.
8. ↑ ^{a b} W. Martienssen, Hans Warlimont: Springer handbook of condensed matter and materials data. Springer, 2005, ISBN 9783540443766, S. 438–439, 445–446.
9. ↑ ^{a b} Datenblatt "Werkstoffe Maschinenbau und Sonderanwendungen" (MA100028, CeramTec AG)
10. ↑ A. Rosenflanz, M. Frey, B. Endres, T. Anderson, E. Richards, C. Schardt: Bulk glasses and ultrahard nanoceramics based on alumina and rare-earth oxides. In: Nature. Band 430, Nr. 7001, 2004, S. 761–764, doi:10.1038/nature02729.
11. ↑ Klaus D Linsmeier: Technische Keramik - Werkstoff für höchste Ansprüche. In: Die Bibliothek der Technik. Band 208, 2010, S. 65ff. ISBN 978-3-937889-97-9.
12. ↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1156.