Titanato di alluminio: preparazione, proprietà

Il titanato di alluminio Al2TiO5 detto tialite è un materiale ceramico costituito da una miscela di ossido di alluminio Al2O3 e biossido di titanio TiO2
Essi danno  luogo alla formazione di una soluzione solida in proporzione stechiometrica 1:1.

Il titanato di alluminio ha attirato l’attenzione dei ricercatori che lavorano nel campo dell’ingegneria dei materiali ceramici per il suo basso coefficiente di dilatazione termica e l’elevata resistenza agli shock termici.

Preparazione

È preparato riscaldando la miscela dei componenti ad una temperatura al di sopra dei 1350°C a pressione atmosferica. Il titanato di alluminio, tuttavia, è instabile a una temperatura maggiore di 750°C a cui la soluzione solida si decompone dando luogo a una reazione eutettoide che porta alla separazione dei due componenti.

Per tale motivo il titanato di alluminio è dopato con:

per stabilizzare la struttura della soluzione solida che contiene comunque una certa quantità degli ossidi di alluminio e di titanio e pertanto non omogenea.

Proprietà del titanato di alluminio 

Il  titanato di alluminio è caratterizzato da una eccellente resistenza agli shock termici e conseguentemente:

  • bassissimo coefficiente di dilatazione termica
  • bassa conducibiltà termica
  • basso modulo elastico 
  • buona resistenza chimica

che lo rendono un materiale utilizzato in svariate applicazioni. Queste proprietà superiori rendono la ceramica a base di titanato di alluminio  potenzialmente vantaggioso per la fabbricazione di filtri in applicazioni di depurazione dei gas caldi, trappole di fuliggine per motori diesel e refrattari per l’industria automobilistica e metallurgica non ferrosa. È adatto per applicazioni che coinvolgono ambienti ad alta temperatura.

A differenza di altri materiali che possono subire espansione o contrazione termica, il titanato di alluminio mantiene la sua forma e integrità anche in condizioni di calore intenso, garantendo prestazioni affidabili per un periodo prolungato.

Il titanato di alluminio ha un’eccellente non bagnabilità da parte dell’alluminio fuso grazie alla sua bassa energia superficiale e all’assenza di qualsiasi strato di ossido sulla sua superficie. Questa proprietà rende il titanato di alluminio il materiale ideale per la fusione a cera persa e altre applicazioni di fusione di precisione, dove forme e dimensioni precise sono fondamentali.

struttura
struttura

Queste proprietà derivano da una elevata porosità e da microfessure derivanti da una elevata anisotropia del materiale: i cristalli infatti mostrano diversi coefficienti di dilatazione termica lungo i tre assi, infatti, mentre l’espansione sugli assi a e b è positiva, risulta negativa sull’asse c.

Come risultato di ciò tale fenomeno porta alla formazione di microfessure che conferiscono al materiale, una volta riscaldato, una bassa resistenza che ne limita gli utilizzi.

Per le sue caratteristiche il titanato di alluminio è adoperato per ottenere:

  • crogioli di colata
  • filtri antiparticolato nei motori diesel
  • tubi, condutture
  • stampi nel settore del vetro
  • anelli distanziatori di convertitori catalitici
  • isolanti termici

Nuovi metodi sintetici

Al fine di ottenere il titanato di alluminio con costi minori e migliori prestazioni sono stati studiati metodi di sintesi alternativi tra cui un nuovo processo che prevede la decomposizione termica di una soluzione contenente acido nitricoacido fluoridrico e quantità stechiometriche di alluminio e titanio. La soluzione è iniettata in un reattore riscaldato in cui avviene la formazione degli ossidi prevalentemente amorfi in una forma omogenea e finemente dispersa altamente reattiva.

Le caratterizzazioni effettuate tramite diffrazione di raggi X mostrano la formazione di:

  • biossido di titanio sotto forma di anatasio
  • ossidi di titanio complessi come Ti3O5
  • titanato di alluminio
  • ossido basico di alluminio AlO(OH) sotto forma di bohemite.

La formazione completa della tialite dalla miscela di ossidi è stata studiata tramite analisi termogravimetrica, analisi termica differenziale e termogravimetria differenziale. E’ risultato che la reazione, dipendente dal tempo, è completata a 1400°C mentre la decomposizone nei rispettivi ossidi avviene tra 900 e 1070°C.

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