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酸化アルミニウム（または酸化アルミニウム（III））は、化学式Al 2 O 3で表されるアルミニウムと酸素の化合物です。これは、いくつかの酸化アルミニウムの中で最も一般的に存在するもので、特に酸化アルミニウムとして識別されます。一般的にはアルミナと呼ばれ、さまざまな形態や用途で、アロキシド、アロキサイト、ALOX、またはアルンダムと呼ばれることもあります。アルミナはボーキサイトから精製されます。[ 7 ]天然では、結晶多形相α-Al 2 O 3として鉱物コランダムとして存在し、その変種は、アルミナ含有量が 100% に近い貴重な宝石ルビーとサファイアを形成します。 [ 7 ] Al 2 O 3は、アルミニウム金属を製造するための原料として、その硬度のため研磨剤として、またその高い融点のため耐火材料として使用されます。 [ 8 ]
コランダムは、最も一般的な天然の酸化アルミニウムの結晶形です。 [ 9 ]ルビーとサファイアは宝石質のコランダムで、その特徴的な色は微量の不純物によるものです。ルビーは、クロムの微量成分によって特徴的な濃い赤色とレーザーのような輝きを放ちます。サファイアは、鉄やチタンなどのさまざまな不純物によって異なる色になります。非常にまれなデルタ型は、デルタタルマイトという鉱物として産出します。[ 10 ] [ 11 ]アルミニウムは地殻で最も豊富な金属ですが、アルミニウム金属を製造するには、ボーキサイトからアルミナとして抽出する必要があります。[ 7 ]
酸化アルミニウムセラミックスの分野には長い歴史があります。アルミニウム塩は古代および中世の錬金術で広く使用されていました。いくつかの古い教科書にはこの分野の歴史が書かれています。[ 12 ] [ 13 ]
Al 2 O 3は電気絶縁体ですが、セラミック材料としては比較的高い熱伝導率( 30 Wm −1 K −1 ) [ 4 ]を持っています。酸化アルミニウムは水に不溶です。最も一般的な結晶形態であるコランダムまたはα-酸化アルミニウムでは、その硬度により研磨剤や切削工具の部品として適しています。[ 8 ]
金属アルミニウムの耐候性は、酸化アルミニウムによるものです。金属アルミニウムは大気中の酸素と非常に反応性が高く、露出したアルミニウム表面にはほぼ瞬時に薄い酸化アルミニウムの不動態層 （厚さ約5 nm）が形成されます。[ 14 ]この層は金属をそれ以上の酸化から保護します。この酸化層の厚さと特性は、陽極酸化と呼ばれるプロセスを使用して強化できます。アルミニウム青銅などの多くの合金は、合金に一定量のアルミニウムを含めることでこの特性を利用し、耐食性を向上させています。陽極酸化によって生成される酸化アルミニウムは通常非晶質ですが、プラズマ電解酸化などの放電補助酸化プロセスでは、コーティング中にかなりの割合の結晶性酸化アルミニウムが生成され、硬度が向上します。
酸化アルミニウムは1988年に米国環境保護庁の化学物質リストから削除されました。繊維状の酸化アルミニウムはEPAの有害物質排出目録リストに掲載されています。 [ 15 ]
酸化アルミニウムは両性物質であり、フッ化水素酸や水酸化ナトリウムなどの酸と塩基の両方と反応することができ、塩基に対しては酸として、酸に対しては塩基として作用し、他方を中和して塩を生成します。
最も一般的な結晶性酸化アルミニウムはコランダムとして知られており、これは熱力学的に安定な形態である。[ 16 ]酸素イオンはほぼ六方最密充填構造を形成し、アルミニウムイオンは八面体間隙の3分の2を占める。各Al3 +中心は八面体である。結晶学の観点から見ると、コランダムは空間群R3c（国際表の番号167）の三方晶ブラベー格子を採用する。単位格子には2つの酸化アルミニウムの組成式単位が含まれる。
酸化アルミニウムには、立方晶γ相およびη相、単斜晶λ、θ、θ'、θ ″ 相、六方晶χ相、斜方晶κ相、斜方晶δ相、およびδ'正方晶相を含む他の準安定相も存在する。[ 16 ] [ 17 ]それぞれが独自の結晶構造と特性を持つ。立方晶γ- Al2O3は重要な技術的用途がある。いわゆるβ-Al2O3はNaAl11O17であることが証明されている。[ 18 ]
融点付近の溶融アルミニウム酸化物は、おおよそ 2/3 が四面体構造（つまり、Al の 2/3 が 4 つの酸素原子に囲まれている）、1/3 が 5 配位構造であり、八面体Al-O はごくわずか (5%) しか存在しない。[ 19 ]酸素原子の約 80% は 3 つ以上の Al-O 多面体間で共有され、多面体間の結合の大部分は頂点共有であり、残りの 10～20% は辺共有である。[ 19 ]融解に伴う八面体の崩壊は、比較的大きな体積増加 (約 33%) を伴い、融点付近の液体の密度は 2.93 g/cm 3である。[ 20 ]溶融アルミナの構造は温度に依存し、冷却（および過冷却）中に5重および6重アルミニウムの割合が増加し、四面体AlO 4ユニットが減少して、非晶質アルミナに見られる局所的な構造配置に近づきます。[ 21 ]
水酸化アルミニウム鉱物は、アルミニウムの主要鉱石であるボーキサイトの主成分です。ボーキサイト鉱石は、ギブサイト（Al(OH) 3）、ベーマイト（γ-AlO(OH)）、ダイアスポア（α-AlO(OH)）などの鉱物の混合物であり、鉄酸化物や水酸化物、石英、粘土鉱物などの不純物も含まれています。[ 22 ]ボーキサイトはラテライト中に産出します。ボーキサイトは通常、バイヤー法を用いて精製されます。
SiO₂を除いて、ボーキサイトの他の成分は塩基に溶解しない。塩基性混合物を濾過すると、Fe₂O₃が除去される。バイヤー液を冷却すると、Al(OH) ₃が沈殿し、ケイ酸塩が溶液中に残る。
固体のAl(OH) 3ギブサイトは、焼成 （1100 ℃以上に加熱）されて酸化アルミニウムを得る。 [ 8 ]
製品の酸化アルミニウムは多相である傾向があり、つまり、コランダムだけではなく、複数の酸化アルミニウム相から構成されています。[ 17 ]したがって、製造プロセスを最適化して、目的に合った製品を製造できます。存在する相の種類は、たとえば、酸化アルミニウム製品の溶解度と細孔構造に影響を与え、それがアルミニウムの製造コストと汚染制御に影響を与えます。[ 17 ]
焼結法は、主にバイヤー法が適さない場合、特にシリカ含有量の高い鉱石や、より制御された製品形態が必要な場合に使用される高温法です。[ 23 ]まず、ボーキサイトを石灰石やソーダ灰などの添加剤と混合し、混合物を高温（1200 ℃～1500 ℃）で加熱してアルミン酸ナトリウムとケイ酸カルシウムを生成します。[ 24 ]焼結後、材料を水で浸出してアルミン酸ナトリウムを溶解し、不純物を残します。次に、アルミン酸ナトリウムを溶液から沈殿させ、約1000 ℃で焼成してアルミナを生成します。[ 25 ]この方法は複雑な形状の製造に役立ち、多孔質または高密度の材料を作成するために使用できます。[ 26 ]
材料科学ではアルファアルミナ、鉱業やセラミック業界ではアルンダム（溶融形態）またはアロキサイト[ 27 ]として知られる酸化アルミニウムは、幅広く利用されています。2015年の世界の酸化アルミニウムの年間生産量は約1億1500万トンで、その90%以上が金属アルミニウムの製造に使用されました。[ 8 ]特殊酸化アルミニウムの主な用途は、耐火物、セラミック、研磨、および研磨剤用途です。アルミナの原料となる水酸化アルミニウムは大量に、ゼオライトの製造、チタニア顔料のコーティング、および難燃剤/発煙抑制剤として使用されています。
製錬グレードアルミナ（SGA）と呼ばれる酸化アルミニウムの90%以上は、通常ホール・エルー法によってアルミニウムの製造に消費されます。残りの特殊アルミナは、その不活性、耐熱性、電気抵抗性を利用した幅広い用途に使用されます。[ 28 ]
酸化アルミニウムは化学的に不活性で白色であるため、プラスチックの充填剤としてよく使用されます。酸化アルミニウムは日焼け止めによく含まれる成分であり[ 29 ]、チーク、口紅、マニキュアなどの化粧品にもよく含まれています[ 30 ] 。
多くのガラスの配合には、成分として酸化アルミニウムが含まれています。[ 31 ]アルミノケイ酸ガラスは、一般的に使用されているタイプのガラスで、5%から10%のアルミナを含むことが多いです。
酸化アルミニウムは、工業的に有用な様々な反応の触媒として用いられる。最も大規模な用途としては、製油所において硫化水素廃ガスを単体硫黄に変換するクラウス法の触媒として利用されている。また、アルコールをアルケンに脱水する反応にも有用である。
酸化アルミニウムは、水素化脱硫や一部のツィーグラー・ナッタ重合など、多くの工業用触媒の触媒担体として用いられる。
酸化アルミニウムは、ガス流から水分を除去するために広く使用されている。[ 32 ]
酸化アルミニウムは、その硬度と強度から利用されています。天然に存在するコランダムは、モース硬度で9 （ダイヤモンドのすぐ下）です。工業用ダイヤモンドの安価な代替品として、研磨剤として広く使用されています。多くの種類のサンドペーパーには、酸化アルミニウムの結晶が使用されています。さらに、熱保持率と比熱が低いため、研削加工、特に切断工具に広く使用されています。粉末状の研磨鉱物であるアロキサイトは、シリカとともに、ビリヤードで使用されるキューチップの「チョーク」の主要成分です。酸化アルミニウム粉末は、一部のCD / DVD研磨キットや傷修復キットに使用されています。その研磨特性は、歯磨き粉にも使用されています。また、皮膚科医やエステティシャンが行う機械式施術と、メーカーの指示に従って使用する手動式皮膚研磨剤の両方で、マイクロダーマブレーションにも使用されています。
酸化アルミニウムフレークは、自動車産業や化粧品産業などにおいて、反射性の装飾効果を得るために塗料に使用されます。[ 33 ]
酸化アルミニウムは生体不活性セラミックスの代表例です。[ 34 ]優れた生体適合性、高強度、耐摩耗性のため、アルミナセラミックスは人工骨や人工関節の製造に医療用途で使用されています。[ 35 ]この場合、酸化アルミニウムは医療用インプラントの表面をコーティングして生体適合性と耐腐食性を与えるために使用されます。[ 36 ]また、歯科インプラント、人工関節、その他の医療機器の製造にも使用されています。[ 37 ]
酸化アルミニウムは、高性能用途向けの実験用および市販のファイバー材料（例：Fiber FP、Nextel 610、Nextel 720）にいくつか使用されています。[ 38 ]特に アルミナナノファイバーは、注目されている研究分野となっています。
一部のボディーアーマーは、通常アラミドまたはUHMWPEの裏地と組み合わせてアルミナセラミックプレートを使用し、ほとんどのライフル弾の脅威に対して効果を発揮します。アルミナセラミックアーマーは、合法な地域ではほとんどの民間人が容易に入手できますが、軍用グレードとはみなされていません。[ 39 ]
アルミニウムの保護コーティングとして、陽極酸化またはプラズマ電解酸化によって酸化アルミニウム層を成長させることができます（上記の「特性」を参照）。コーティングの硬度と耐摩耗性は、酸化アルミニウムの高い強度に由来しますが、従来の直流陽極酸化法で生成される多孔質コーティング層は、60～70 ロックウェル硬度 C の範囲[ 40 ]にあり、これは硬化炭素鋼合金に匹敵する程度ですが、天然および合成コランダムの硬度には著しく劣ります。一方、プラズマ電解酸化では、コーティングは表面の酸化層のみが多孔質であり、下層の酸化層は標準的な直流陽極酸化法よりもはるかに緻密で、酸化層が再溶解および緻密化されて α-Al 2 O 3クラスターが得られるため結晶性が高く、コーティング硬度は約 2000 ビッカース硬度と非常に高い値を示します。
アルミナは、石炭火力発電所の微粉炭配管や排ガス管の内側に取り付けられるタイルを製造するのに使用され、摩耗の激しい箇所を保護します。しかし、これらのタイルは脆く破損しやすいため、衝撃の強い箇所には適していません。
酸化アルミニウムは、集積回路の基板（サファイア上のシリコン）として使用される電気絶縁体であるが、[ 41 ]単電子トランジスタ、超伝導量子干渉素子（SQUID）、超伝導量子ビットなどの超伝導デバイスの製造のためのトンネル障壁としても使用される。[ 42 ] [ 43 ]
集積回路における電気絶縁体としての応用では、薄膜の均一な成長が前提条件であり、好ましい成長モードは原子層堆積法であるが、Al 2 O 3膜はトリメチルアルミニウム(Al(CH 3 ) 3 ) と H 2 Oの間の化学交換によって作製することができる。 [ 44 ]
上記の反応におけるH 2 O は、活性酸化剤としてオゾン(O 3 ) に置き換えることができ、次の反応が起こります。[ 45 ] [ 46 ]
O 3を用いて作製したAl 2 O 3膜は、H 2 Oを用いて作製したものと比較して、漏洩電流密度が 10 ～ 100 倍低いことがわかった。
酸化アルミニウムは比較的大きなバンドギャップを持つ誘電体であるため、コンデンサの絶縁バリアとして使用されます。[ 47 ]
アルミ製のアイスクリームスクープは、手洗いではなく食器洗い機で不適切に洗うと腐食して酸化アルミニウムの残留物が残ることがあり、[ 48 ] [ 49 ]健康上の問題を引き起こす可能性があります。[ 50 ]
照明では、半透明の酸化アルミニウムが一部のナトリウム蒸気ランプに使用されています。[ 51 ]酸化アルミニウムは、コンパクト蛍光灯のコーティング懸濁液の調製にも使用されています。
化学実験室では、酸化アルミニウムはクロマトグラフィーの媒体として用いられ、塩基性（pH 9.5）、酸性（水溶液中pH 4.5）、中性の製剤が市販されている。また、酸化アルミニウムの小片は、沸騰石 としてもよく使用される。
健康および医療用途としては、股関節置換術[ 8 ]や避妊薬[ 52 ]の材料として使用されている。
光刺激発光特性により、シンチレーター[ 53 ]や放射線防護および治療用途の線量計として使用されています[ 54 ] 。
高温炉用断熱材は、多くの場合、酸化アルミニウムから製造されます。断熱材の温度定格によっては、一定量のシリカが含まれる場合もあります。断熱材は、用途に応じて、ブランケット状、ボード状、レンガ状、繊維状など、さまざまな形状で製造できます。
また、スパークプラグの絶縁体を作るのにも使用されます。[ 55 ]
プラズマスプレー法を用いて二酸化チタンと混合し、一部の自転車のリムのブレーキ面にコーティングすることで、耐摩耗性と耐擦傷性を向上させる。
釣り竿に付いているセラミック製のガイドのほとんどは、酸化アルミニウムで作られた円形のリングです。
最も細かい粉末状（白色）の酸化アルミニウムは、ダイアマンティンと呼ばれ、時計製造において優れた研磨剤として使用されています。[ 56 ]
酸化アルミニウムは、モトクロスやマウンテンバイク業界の支柱のコーティングにも使用されています。このコーティングは、表面の長期的な潤滑性を確保するために二硫化モリブデンと組み合わせて使用されます。 [ 57 ]
酸化アルミニウムは、点火プラグの絶縁体を作るためにも使用されます。