Appendice C
Ossido di alluminio
Questa appendice propone un piccolo approfondimento riguardo l’allumina:
materiale di cui `e costituito il rod del piezomotore.
L’ossido di alluminio (o allumina) `e l’ossido ceramico dell’alluminio caratterizzato
da formula chimica Al2O3 [16].
C.1
Propriet`
a meccaniche ed elettriche
Questo materiale, all’apparenza molto fragile e poco utilizzabile, nasconde
propri-et`a interessanti in campo industriale, quali la resistenza agli acidi e la conducibilit`a
termica; `e anche catalizzatore d’interesse industriale. Viene utilizzato in moltissimi
campi, tra cui l’elettronica e la meccanica, oltre ad essere usato in campo biomedico
come materiale di innesto. `E la base di alcuni minerali come rubino e zaffiro, che si
differenziano a seconda delle impurezze metalliche presenti nel reticolo cristallino.
A temperatura ambiente si presenta come un solido bianco inodore. Dal punto di
vista elettrico `e un isolante. Viene utilizzato nella crescita epitassiale di dispositivi
C. Ossido di alluminio
elettronici come substrato, considerando il buon matching reticolare che consente
con alcuni dei semiconduttori pi`u utilizzati.
C.2
Propriet`
a chimico-fisiche
I campi di utilizzo dell’allumina sono molteplici, grazie ad una serie di propriet`a
chimico-fisiche che rendono tale materiale adatto per svariate applicazioni. Le
caratteristiche principali dell’allumina sono:
• buona stabilit`a termica;
• buona resistenza alla corrosione sia in ambienti acidi che in ambienti alcalini; • materiale non soggetto al fenomeno di ossidazione;
• ottime propriet`a dielettriche (pu`o essere utilizzato come isolante elettrico); • ottimo grado di durezza: tale materiale `e prossimo al diamante, l’allumina ha
una durezza di Vickers di 18000 MPa, mentre un acciaio rapido `e di soli 9000
MPa;
• ottima resistenza all’usura: la durata di un componente costituito da questo materiale ceramico `e superiore di circa 10-13 volte (nelle stesse condizioni di
impiego) rispetto ad uno stesso componente realizzato in acciaio;
• elevata area superficiale interna: nelle forme micro e nano-porose tale materiale raggiunge valori di aree superficiali di 300 m2/g;
• eccellente biocompatibilit`a: l’allumina viene impiegata per applicazioni biomed-icali in quanto, oltre alle propriet`a sopraccitate, tale ceramica non presenta il
fenomeno del rigetto quando `e a contatto con i tessuti viventi.
Tra le caratteristiche negative sono una non elevata resistenza meccanica ed una
bassa resistenza agli shock termici.
C. Ossido di alluminio
C.3
Il processo produttivo
Il Processo Bayer [17] `e il metodo principale (e, ad oggi, il maggiormente
utilizzato) per produrre allumina dalla bauxite.
La bauxite `e il minerale pi`u importante dal quale si ricava l’alluminio, ma contiene
solamente il 30 - 54 % di allumina, Al2O3, mentre la restante parte `e formata
principalmente da silice (ovvero biossido di silicio, SiO2), ossidi di ferro e diossido di
titanio. L’allumina, dunque, necessita di un processo di purificazione prima di poter
essere trasformata in alluminio metallico.
Nel Processo Bayer la bauxite viene lavata con una soluzione di idrossido di sodio,
N aOH, a 175 ◦C (fase generalmente chiamata digestione, dall’inglese digestion).
Questa operazione converte l’allumina in idrossido di alluminio, Al(OH)3, secondo il
processo chimico:
Al2O3+ 2OH−+ 3H2O → 2[Al(OH)4]−
Gli altri componenti della bauxite non possono essere dissolti nel bagno idrossilico;
vengono perci`o filtrati e scartati quali impurit`a solide. La mistura di tali impurit`a
solide viene gergalmente chiamata fango rosso e presenta non pochi problemi di
smaltimento. Successivamente il bagno idrossilico viene raffreddato, consentendo
all’idrossido di alluminio di precipitare sottoforma di solido bianco e vaporoso; tale
fase `e detta, per l’appunto, precipitazione. Infine, l’idrossido di alluminio viene
scaldato fino a 1050 ◦C, temperatura alla quale inizia la decomposizione chimica in
allumina (fase di calcinazione), con rilascio di vapor d’acqua:
2Al(OH)3 → Al2O3+ 3H2O
C. Ossido di alluminio
Gran parte dell’allumina prodotta mediante Processo Bayer viene successivamente
fusa per la produzione di alluminio.
C.4
Caratteristiche principali
Di seguito sono elencate le principali caratteristiche in forma tabellare [18].
Nome IUPAC triossido di dialluminio Nomi alternativi allumina
Formula bruta Al2O3
Massa molecolare 101,94 g/mol Aspetto solido bianco Numero CAS 1344-28-1
Densit`a 3,94 g/cm3 @ 20 ◦C Solubilit`a in acqua 0,001 g/l @ 20 ◦C Temperatura di fusione 2.050 ◦ C Temperatura di ebollizione 2.980 ◦ C
Tabella C.1.: Caratteristiche principali dell’ossido di alluminio
