Алуминиево стъкло

Стъклените пясъци, използвани за производство на стъкла с високо съдържание на алуминий, обикновено съдържат ниски проценти магнезий. Този минерален пясък може да произхожда от скални находища или от нерафинирани природни източници и трябва да остане такъв по време на производството.

SEM-EDS анализът на пробата от зелено стъкло JXL09 разкрива червени включвания, съдържащи баритни кристали, както и обогатяване с Cu, Fe и S, което предполага, че тя съдържа сулфидни медно-железни суровини.

Характеристики

Алуминиевото стъкло е стъкло от алуминиев оксид с множество уникални свойства, които го правят високо ценено в приложения, изискващи здравина, химическа и термична устойчивост, оптична прозрачност и ниска електропроводимост. Алуминиевото стъкло се използва широко в прозорците на самолетите и автомобилите, както и в устройствата за нощно виждане и в носовите конуси на ракети с топлинно насочване. Освен това алуминият се отличава с ниска електропроводимост, коефициент на разширение и твърдост (най-високата степен по скалата на Моос).

В археологически обекти в Южна Азия са открити многобройни примери за стъкла, изработени с богати на алуминий състави. Анализът на състава показва, че тези стъкла са произведени по рецепти с дълга история в този регион; остава неизвестно обаче дали отделните им рецепти произхождат от там или са били възприети от друга част на по-голяма група рецепти.

Алуминият подобрява температурата на встъкляване, плътността и химическата устойчивост на содо-варовиковото стъкло, като повишава температурата на встъкляване, плътността и химическата му устойчивост. Алуминият също така потиска образуването на борово синьо помътняване, като спира окисляването му от частици силициев оксид. Алуминиевото стъкло предлага много предимства в сравнение с традиционните изолационни и декоративни стъкла, като например повишена якост, по-високи температури на топене, по-ниски нива на електропроводимост, по-ниски стойности на коефициента на разширение и отлични антикорозионни свойства.

Микроструктурата на алуминиевото стъкло варира в зависимост от степента на калциниране. Некалцинираните проби показват мрежа от кристали и някои кухини; при нагряване до температури, които предизвикват по-силна кристализация на повърхността в сравнение с обикновеното стъкло; например в GS028 могат да се видят струпвания на оловно-калаен оксид заедно с частици на натриев алуминосиликат и содалит; в други проби с допълнителни частици, съдържащи алуминий, кристализацията на повърхността се увеличава драстично, докато кристалите са с по-малки размери в сравнение с обикновените стъклени проби.

Включванията на меден сулфид и суров меден оксид, открити в стъкло, съдържащо алуминий, са наистина загадъчни, като се предполага, че те вероятно са попаднали при съвместното топене на оксидна и сулфидна мед, въпреки че вероятно са били необходими дълги и досадни усилия от страна на занаятчиите, за да почистят матовите частици от тях, преди да се появят включванията.

Имоти

Алуминиевият оксид (g-Al2O3), съдържащ се в алуминиевото стъкло, има много уникални и благоприятни характеристики, включително висока температура на топене и температурна стабилност, което го прави подходящ за приложение в керамични огнеупори, полиращи материали и абразивни приложения. Освен това индустриалните приложения на този компонент включват използването му като забавител на горенето/разтвори за потискане на дима, както и като основна суровина за производството на алуминиев оксид и много специални сплави.

Микроструктурата на VC керамиката, инфилтрирана с алуминиево стъкло, се различава значително при различните образци. Като цяло те обикновено са гранулирани с наличие на малки кристали алуминий и фелдшпатови зърна. Въпреки това образците GS028 и GS022 се отличават с по-големи кристали, които имат еднаква форма, като в някои образци дори се наблюдават признаци на непълно разлагане на калаен калкс в кубични кристали калаен оксид, присъстващи като ацикуларни кристали оловен калаен оксид, които са се образували. Тези зърна след това са затворени в мека бяла силикатна матрица, съставена от матрица от натриев алумосиликат.

Тази матрица показва ниско ниво на магнезий (1,5 тегловни%), което предполага, че пясъкът, използван за производството на стъкло, е бил получен от минерални източници като кварц или плагиоклазови крайни членове на фелдшпатови крайни членове, както и от алуминий; доказателство за тази хипотеза е големият процент алкални фелдшпати, открити в нейните проби, както и променливите количества плагиоклаз и кварц.

Експериментите, проведени с помощта на XRD и неутронна дифракция, разкриват, че g-Al2O3 има кристална структура с висока температура на топене и температурна стабилност, както и необичаен остър пик при 1,52 A-1, който съответства на псевдобраговите равнини, генериращи се по протежение на празнотата; това се различава значително от обикновените стъклообразуващи оксиди, тъй като показва, че тази рецепта създава структурно различни стъклени изделия.

Резултатите от това изследване показват, че керамиката с инфилтрирано стъкло от алуминиев оксид е била произведена по иновативна и исторически значима рецепта, която се различава значително от традиционните археологически рецепти за стъкло по отношение на модификацията ѝ, за да се намалят проблемите с помътняването, свързани със стъклата с високо съдържание на алуминиев оксид.

Приложения

Алуминият е ключов елемент в изделията от бронирано стъкло поради изключителната си устойчивост на налягане и твърдост, което го прави основен материал в техническата или усъвършенстваната керамика, предназначена за екстремни среди, с изисквания за термична стабилност, както и с повишена устойчивост на износване. Прахът от алуминий може също така да се смесва с други материали за производство на уникални стъклени или керамични продукти с различни цветове, форми и размери, както и да се добавя в различни процеси на производство на стъкло, като например процеси на производство на алуминосиликатно стъкло, известно с изключителната си химическа и топлинна устойчивост.

Алуминият намира приложение в многобройни промишлени приложения - от огнеупорни материали и керамика до полиращи и абразивни продукти. Алуминият също така е важна съставка на забавители на горенето и потискатели на дима, както и на медицински изделия, автомобилни и космически приложения. Освен това, поради свойствата си на здравина и устойчивост на корозия, той често се комбинира с материали като силициев диоксид или вар за постигане на оптимални свойства в определени приложения.

Изследователите провеждат проучвания за повишаване на еластичността на алуминия чрез създаването му в първоначалното му аморфно състояние, а не в кристална форма. Техните изследвания разкриват, че тази форма позволява деформация при стайна температура в сравнение с еднокомпонентните оксидни стъкла, които не проявяват тази особеност. Изследванията им показват, че за изработването на тази форма може да се използва импулсно лазерно отлагане, при което се образува аморфен филм, преди бързото му охлаждане след създаването му.

Бързото охлаждане позволява на молекулярните връзки да се отпуснат и да се реформират при разтягане, като разпръсква механичните напрежения, а не ги концентрира в концентрирани точки, като по този начин се избягва появата на остри пукнатини. Този тип еластичност наподобява по-скоро тази на керамиката, отколкото на типичните стъклени продукти.

Един от начините за повишаване на еластичността на алуминиевия оксид е добавянето на други минерали в стъклената матрица. Алуминосиликатното стъкло, например, съчетава 57-60% силициев диоксид (SiO2) с 16-20% алуминиев оксид (Al2O3), 5-7% калциев оксид (CaO), 6-12% магнезиев оксид (MgO) и боров триоксид (B2O3); този тип е известен с това, че е устойчив на надраскване при мобилните устройства.

За да се произведе стъкло от алуминиев оксид, алуминиевият оксид на прах първо трябва да се разпръсне със свързващо вещество поливинилов алкохол, за да се образува лесно оформящо се зелено тяло. След като бъдат оформени, тези гранули могат да бъдат допълнително обработени и оформени в различни стъклени и керамични продукти чрез техники на сухо пресоване, екструдиране, леене под налягане или горещо изостатично пресоване.

Производство

Както подсказва името му, алуминиевото стъкло започва с алуминиев оксид (Al2O3) или по-често наричан "алуминий". Производителите на алуминиеви метали добиват този минерал от Земята, преди да го преработят в бял прах, използван за производството на стъкло. Но за разлика от стъклата на основата на силициев диоксид, като например тези, произведени с кварцов прах, алуминият не притежава свойствата на дуктилност, необходими за определени приложения - изследователите съобщават, че той се деформира само при специфични условия, като например бързи темпове на охлаждане или при излагане на екстремни натоварвания.

Еркка Франкберг от Технологичния университет в Тампере, Финландия, ръководи екип, който има за цел да преодолее тази пречка. За целта те използваха подход, състоящ се от атомистично моделиране, експериментални измервания и симулации на молекулярна динамика, за да създадат микроскопични филми от алуминиев оксид, които позволяват неограничена пластична деформация.

Учените разпръскват прах от алуминиев оксид върху стъклени топчета, след което ги нагряват до температури, малко по-високи от температурата на стъкловидния им преход, но по-ниски от температурата на кристализация. Оставили са топчетата бързо да изстинат, преди да извършат анализи като рентгенова дифракция и диференциален термичен анализ. Експериментите им установиха, че стъклата от алуминий могат да се разтегнат до 8%, преди да се счупят, което е значително повече от типичното за силициевия диоксид разтягане от 2-2% и компресия от 4-40%, преди да се счупи.

Екипът на Франкберг изследва микроструктурата на алуминиевото стъкло. Те са наблюдавали неговата изключително бездефектна, атомно близка мрежа от молекули, която позволява лесно превключване при подлагане на стрес. Напротив, силициевото стъкло има повече пропуски в атомната си структура, като по този начин ограничава способността си да се деформира.

Учените са създали стъкло от алуминий с оксиди на редките елементи волфрам и тантал, за да постигнат уникални свойства като електропроводимост и устойчивост на химически атаки, висока якост и изключителна твърдост (9 по скалата на Моос).

Изследователският екип все още не е разработил ефективен процес за производство на алуминиево стъкло с търговско предназначение, но остава оптимист за потенциала му. Следващите им стъпки включват по-нататъшно проучване на причините за неговото функциониране, преди да приложат това, което знаят, за разработване на други видове стъкло с полезни свойства.