Hliníkové sklo

Sklářské písky používané k výrobě skel s vysokým obsahem oxidu hlinitého obvykle obsahují nízký podíl hořčíku. Tento minerální písek může pocházet buď z ložisek horninového typu, nebo z nerafinovaných přírodních zdrojů a musí takový zůstat po celou dobu výroby.

SEM-EDS analýza vzorku zeleného skla JXL09 odhalila červené inkluze obsahující krystaly barytu a obohacení o Cu, Fe a S, což naznačuje, že obsahuje sulfidické měď-železné suroviny.

Charakteristika

Hliníkové sklo je sklo z oxidu hlinitého s mnoha jedinečnými vlastnostmi, díky nimž je vysoce ceněno v aplikacích vyžadujících pevnost, chemickou a tepelnou odolnost, optickou průhlednost a nízkou elektrickou vodivost. Hliník se hojně používá v oknech letadel a automobilů, v přístrojích pro noční vidění i v tepelných kuželích raket. Kromě toho se oxid hlinitý může pochlubit nízkou elektrickou vodivostí, koeficientem roztažnosti a tvrdostí (nejvyšší stupeň Mohsovy stupnice).

Archeologická naleziště v jižní Asii poskytla četné příklady skel vyrobených ze skel bohatých na oxid hlinitý. Analýza složení naznačuje, že tato skla byla vyrobena podle receptur, které mají v této oblasti dlouhou historii; není však známo, zda jejich jednotlivé receptury vznikly právě zde, nebo byly převzaty odjinud z větší skupiny receptur.

Hliník zlepšuje teplotu skelného přechodu, hustotu a chemickou odolnost sodno-křemičitého skla tím, že zvyšuje jeho teplotu skelného přechodu, hustotu a chemickou odolnost. Hliník také potlačuje tvorbu modrého zákalu boru a zároveň zastavuje jeho oxidaci částicemi oxidu křemičitého. Hliníkové sklo nabízí oproti tradičním izolačním a dekorativním sklům mnoho výhod, jako je zvýšená pevnost, vyšší bod tání, nižší úroveň elektrické vodivosti, nižší koeficient roztažnosti a vynikající vlastnosti odolnosti proti korozi.

Mikrostruktura korundového skla se liší podle stupně kalcinace. Nekalcinované vzorky vykazují síť krystalů a některé dutiny; při zahřátí na teploty, které způsobí, že se povrchová krystalizace zvýší ještě více než u běžného skla; například u GS028 lze vedle částic hlinitokřemičitanu sodného a sodalitu pozorovat shluky oxidu olovnatého; u jiných vzorků s dalšími částicemi obsahujícími oxid hlinitý se povrchová krystalizace výrazně zvýší, zatímco krystaly mají celkově menší rozměry než u běžných vzorků skla.

Sulfid měďnatý a surové inkluze oxidu měďnatého nalezené ve skle s obsahem oxidu hlinitého jsou skutečně záhadné, což naznačuje, že se do skla dostaly pravděpodobně společným tavením oxidické a sulfidické mědi, i když by pravděpodobně řemeslníci museli vynaložit dlouhé a namáhavé úsilí, aby z nich očistili matné nánosy, než se do nich inkluze dostaly.

Vlastnosti

Oxid hlinitý (g-Al2O3), který se nachází ve skle oxidu hlinitého, má mnoho jedinečných a výhodných vlastností, včetně vysokého bodu tání a teplotní stability, díky čemuž je vhodný pro použití v keramických žáruvzdorných materiálech, lešticích materiálech a brusných aplikacích. Průmyslové využití této složky navíc zahrnuje použití jako zpomalovače hoření/roztoky pro potlačení kouře a také jako základní surovinu při výrobě oxidu hlinitého i mnoha speciálních slitin.

Mikrostruktura keramiky VC infiltrované oxidem hlinitým se u jednotlivých vzorků výrazně liší. Obecně mají tendenci být zrnité s přítomností malých krystalů oxidu hlinitého a zrn živce. Vzorky GS028 a GS022 se však vyznačují většími krystaly, které mají stejný tvar, přičemž některé vzorky dokonce vykazují známky neúplného rozpadu cínového kalku na kubické krystaly oxidu cíničitého přítomné jako acikulární krystaly oxidu cíničitého olova, které se vytvořily. Tato zrna jsou pak uzavřena v měkké bílé silikátové matrici tvořené matricí hlinitokřemičitanu sodného.

Tato matrice vykazuje nízký obsah hořčíku (1,5 hm.%), což naznačuje, že písek použitý ke sklářské výrobě byl získán z minerálních zdrojů, jako je křemen nebo plagioklasové koncové členy živců, jakož i oxid hlinitý; důkazem pro tuto hypotézu je velký podíl alkalických živců nalezených v jejích vzorcích, jakož i proměnlivé množství přítomného plagioklasu a křemene.

Experimenty provedené pomocí XRD a neutronové difrakce ukazují, že g-Al2O3 vykazuje krystalickou strukturu s vysokým bodem tání a teplotní stabilitou, spolu s neobvyklým ostrým píkem při 1,52 A-1, který odpovídá pseudobraggovým rovinám generujícím se podél dutiny; to se značně liší od běžných sklotvorných oxidů, protože to ukazuje, že tato receptura vytváří strukturně odlišné skloviny.

Výsledky tohoto výzkumu ukazují, že sklem infiltrovaná keramika s obsahem oxidu hlinitého byla vyráběna podle inovativní a historicky významné receptury, která se výrazně lišila od tradičních receptur archeologického skla, pokud jde o její modifikaci s cílem snížit problémy se zákalem spojeným se skly s vysokým obsahem oxidu hlinitého.

Aplikace

Hliník je klíčovým prvkem výrobků z neprůstřelného skla díky své vynikající odolnosti vůči tlaku a tvrdosti, což z něj činí základní materiál v technické nebo pokročilé keramice určené pro extrémní prostředí s požadavky na tepelnou stabilitu a zvýšenou odolnost proti opotřebení. Práškový oxid hlinitý lze také míchat s jinými materiály a vyrábět z něj jedinečné skleněné nebo keramické výrobky různých barev, tvarů a velikostí a také přidávat do různých sklářských procesů, jako jsou procesy výroby hlinitokřemičitého skla proslulé svou extrémní chemickou a tepelnou odolností.

Hliník se používá v mnoha průmyslových aplikacích, od žáruvzdorných materiálů a keramiky až po lešticí a brusné výrobky. Oxid hlinitý je také důležitou složkou zpomalovačů hoření a látek potlačujících kouř, stejně jako lékařských přístrojů, automobilového a leteckého průmyslu. Kromě toho se díky svým pevnostním vlastnostem a odolnosti proti korozi často kombinuje s materiály, jako je oxid křemičitý nebo vápno, pro dosažení optimálních vlastností v určitých aplikacích.

Vědci provádějí studie, jejichž cílem je zvýšit tvárnost oxidu hlinitého tím, že jej vytvoří v původním amorfním stavu, nikoli ve formě krystalů. Jejich výzkumy odhalily, že tato forma umožňuje deformaci při pokojové teplotě ve srovnání s jednosložkovými oxidovými skly, která tuto vlastnost nevykazují. Jejich výzkum naznačuje, že k výrobě této formy lze použít pulzní laserové nanášení, při němž se vytvoří amorfní film a po jeho vytvoření se rychle ochladí.

Rychlé ochlazení umožňuje molekulárním vazbám uvolnit se a reformovat se při roztažení, čímž se mechanické napětí rozptýlí a nesoustředí se v koncentrovaných místech, čímž se zabrání vzniku ostrých trhlin. Tento typ tvárnosti se podobá spíše keramice než typickým skleněným výrobkům.

Jedním ze způsobů, jak zvýšit tvárnost oxidu hlinitého, je přidání dalších minerálů do skelné matrice. Například hlinitokřemičité sklo kombinuje 57-60% oxidu křemičitého (SiO2) s 16-20% oxidu hlinitého (Al2O3), 5-7% oxidu vápenatého (CaO), 6-12% oxidu hořečnatého (MgO) a oxidu bóru (B2O3); tento typ je známý tím, že je odolný proti poškrábání mobilních zařízení.

Pro výrobu korundového skla se musí práškový oxid hlinitý nejprve rozprašovat s polyvinylalkoholovým pojivem, aby se vytvořilo snadno tvarovatelné zelené těleso. Po zformování lze tyto granule dále zpracovávat a tvarovat do různých skleněných a keramických výrobků pomocí suchého lisování, vytlačování, vstřikování nebo izostatického lisování za tepla.

Výroba

Jak již název napovídá, sklo z oxidu hlinitého začíná oxidem hlinitým (Al2O3) nebo častěji označovaným jako "alumina". Výrobci kovového hliníku těží tento minerál ze Země a poté jej zpracovávají na bílý prášek, který se používá k výrobě skla. Na rozdíl od skel na bázi oxidu křemičitého, například skel vyráběných z křemičitého prášku, však oxid hlinitý nemá tvárné vlastnosti potřebné pro určité aplikace - vědci zaznamenali, že se deformuje pouze za specifických podmínek, například při rychlém ochlazení nebo při extrémním zatížení.

Erkka Frankberg z Technické univerzity v Tampere ve Finsku vedl tým, jehož cílem bylo tuto překážku překonat. K tomu využili přístup sestávající z atomistického modelování, experimentálních měření a simulací molekulární dynamiky, aby vytvořili mikroskopické filmy oxidu hlinitého, které umožňují neomezenou plastickou deformaci.

Vědci nastříkali práškový oxid hlinitý na skleněné kuličky a poté je zahřáli na teplotu těsně nad teplotou skelného přechodu, ale pod bodem krystalizace. Před provedením analýz, jako je rentgenová difrakce a diferenciální termická analýza, nechali kuličky rychle vychladnout. Jejich experimenty zjistily, že skla s oxidem hlinitým se mohou před prasknutím roztáhnout až o 8%, což je výrazně více než u oxidu křemičitého, pro který je typické roztažení 2-2% a stlačení 4-40% před prasknutím.

Frankbergův tým zkoumal mikrostrukturu korundového skla. Pozorovali jeho vysoce bezdefektní, atomárně těsnou síť molekul, která umožňovala snadné přepínání při namáhání. Naopak křemenné sklo má ve své atomární struktuře více mezer, čímž je jeho schopnost deformace omezena.

Vědci navrhli sklo z oxidu hlinitého s oxidy vzácných prvků wolframu a tantalu, aby dosáhli jedinečných vlastností, jako je elektrická vodivost a odolnost vůči chemickým vlivům, vysoká pevnost a extrémní tvrdost (9 stupňů Mohsovy stupnice).

Výzkumný tým zatím nevyvinul účinný proces výroby skla z oxidu hlinitého pro komerční účely, nicméně jeho potenciál vidí optimisticky. Jejich další kroky zahrnují další studium toho, co je příčinou jeho fungování, a teprve poté použijí své poznatky k vývoji dalších typů skla s užitečnými vlastnostmi.