Aluminiumoxid-glas

Glassand, der anvendes til fremstilling af glas med højt aluminiumoxidindhold, indeholder typisk lave procentdele af magnesia. Dette mineralsand kan stamme fra enten aflejringer af bestemte bjergarter eller uraffinerede naturlige kilder og skal forblive i denne form gennem hele produktionsforløbet.

En SEM-EDS-analyse af den grønne glasprøve JXL09 afslørede røde indeslutninger indeholdende barytkrystaller samt en forhøjet koncentration af Cu, Fe og S, hvilket tyder på, at den indeholder sulfidholdige kobber-jern-råmaterialer.

Egenskaber

Aluminiumoxidglas er et glas baseret på aluminiumoxid med en række unikke egenskaber, der gør det meget værdsat i anvendelser, der kræver styrke, kemisk og termisk modstandsdygtighed, optisk gennemsigtighed og lav elektrisk ledningsevne. Aluminiumoxidglas anvendes i vid udstrækning i fly- og bilruder samt i nattsynsudstyr og i næsekonusser til varmesøgende missiler. Desuden udmærker aluminiumoxidglas sig ved lav elektrisk ledningsevne, lav udvidelseskoefficient og høj hårdhed (den højeste værdi på Mohs-skalaen).

Arkæologiske udgravningssteder i hele Sydasien har afsløret talrige eksempler på glas fremstillet af aluminiumsrige sammensætninger. Sammensætningsanalyser tyder på, at disse glas blev fremstillet efter opskrifter med en lang historie i denne region; det vides dog ikke, om de enkelte opskrifter stammer herfra eller er blevet overtaget fra andre steder som en del af en større gruppe af opskrifter.

Aluminiumoxid forbedrer glasovergangstemperaturen, densiteten og den kemiske holdbarhed i natrium-kalk-siliciumdioxidglas ved at øge glasovergangstemperaturen, densiteten og den kemiske holdbarhed. Aluminiumoxid hæmmer desuden dannelsen af borblå uklarhed og forhindrer samtidig dets oxidation af siliciumdioxidpartikler. Aluminiumoxidglas har mange fordele i forhold til traditionelle isolerings- og dekorationsglas, såsom øget styrke, højere smeltepunkter, lavere elektrisk ledningsevne, lavere udvidelseskoefficienter og fremragende korrosionsbestandighed.

Mikrostrukturen i aluminiumoxidglas varierer afhængigt af kalcineringsgraden. Ukalcinerede prøver udviser et netværk af krystaller og nogle hulrum; når de opvarmes til temperaturer, der medfører, at overfladekrystalliseringen øges mere end ved konventionelt glas; i GS028 kan man for eksempel se klynger af bly-tinoxid sammen med natriumaluminosilikat- og sodalitpartikler; i andre prøver med yderligere aluminiumoxidholdige partikler øges overfladekrystalliseringen dramatisk, mens krystallerne generelt har mindre dimensioner end i konventionelle glasprøver.

Indeslutninger af kobbersulfid og rå kobberoxid, der er fundet i aluminiumoxidholdigt glas, er virkelig gådefulde og tyder på, at de muligvis er blevet tilført gennem samsmeltning af oxidisk og sulfidisk kobber, selvom det sandsynligvis ville have krævet en lang og møjsommelig indsats fra håndværkernes side at rense dem for mattepriller, før indeslutningerne kunne være kommet ind.

Ejendomme

Aluminiumoxid (g-Al₂O₃), som findes i alumina-glas, har mange unikke og fordelagtige egenskaber, herunder dets høje smeltepunkt og temperaturstabilitet, hvilket gør det velegnet til anvendelse i ildfaste keramiske materialer, poleringsmaterialer og slibemidler. Desuden anvendes denne komponent i industrien blandt andet i brandhæmmende og røgdæmpende løsninger samt som et vigtigt råmateriale i produktionen af både aluminiumoxid og mange speciallegeringer.

Mikrostrukturen i VC-keramik infiltreret med aluminiumoxidglas varierer betydeligt fra prøve til prøve. Generelt er de typisk kornede med små aluminiumoxidkrystaller og feltspatkorn til stede. Prøverne GS028 og GS022 udviser imidlertid større krystaller med ensartet form, og nogle prøver viser endda tegn på ufuldstændig nedbrydning af tincalx til kubiske tinoxidkrystaller, der forekommer som nåleformede blytinoxidkrystaller, der har dannet sig. Disse korn er derefter indkapslet i en blød, hvid silikatmatrix bestående af natriumaluminosilikat.

Denne matrix udviser et lavt magnesiaindhold (1,5 vægt%), hvilket tyder på, at det sand, der blev anvendt til glasfremstilling, stammede fra mineralkilder såsom kvarts eller plagioklas – yderpunkterne i feltspatgruppen – samt aluminiumoxid; Bevis for denne hypotese omfatter den store andel af alkali-feldspat, der er fundet i prøverne, samt de varierende mængder af plagioklas og kvarts, der er til stede.

Forsøg udført ved hjælp af XRD og neutrondiffraktion viser, at g-Al₂O₃ udviser en krystallinsk struktur med højt smeltepunkt og temperaturstabilitet samt en usædvanlig skarp top ved 1,52 A⁻¹, der svarer til pseudobragg-planer, der dannes langs et hulrum; dette adskiller sig markant fra almindelige glasdannende oxider, da det viser, at denne sammensætning skaber glas med en strukturelt særskilt karakter.

Resultaterne af denne undersøgelse viser, at den glasinfiltrerede aluminiumoxidkeramik blev fremstillet efter en innovativ og historisk betydningsfuld opskrift, der adskilte sig markant fra traditionelle arkæologiske glasopskrifter, idet den var tilpasset med henblik på at mindske udtørringsproblemer forbundet med glas med højt aluminiumoxidindhold.

Anvendelser

Aluminiumoxid er et centralt element i skudsikre glasprodukter på grund af dets enestående trykmodstand og hårdhed, hvilket gør det til et uundværligt materiale i teknisk eller avanceret keramik, der er udviklet til ekstreme miljøer med krav til termisk stabilitet samt forhøjet slidstyrke. Aluminiumpulver kan også blandes med andre materialer til fremstilling af unikke glas- eller keramikprodukter i forskellige farver, former og størrelser samt tilsættes i forskellige glasfremstillingsprocesser, såsom produktionsprocesser for aluminosilikatglas, der er kendt for deres ekstreme kemiske og termiske modstandsdygtighed.

Aluminiumoxid anvendes i en lang række industrielle sammenhænge, lige fra ildfaste materialer og keramik til polerings- og slibemidler. Aluminiumoxid udgør også en vigtig bestanddel i brandhæmmende midler og røgdæmpende midler samt i medicinsk udstyr og anvendelser inden for bil- og rumfartsindustrien. Desuden kombineres det på grund af dets styrke og korrosionsbestandighed ofte med materialer som silica eller kalk for at opnå optimale egenskaber i bestemte anvendelser.

Forskere gennemfører undersøgelser med henblik på at forbedre aluminiumoxidets duktilitet ved at fremstille det i sin oprindelige, amorfe tilstand i stedet for i krystalform. Deres undersøgelser har vist, at denne form muliggør deformation ved stuetemperatur, i modsætning til enkeltkomponent-oxidglas, som ikke udviser denne egenskab. Deres forskning tyder på, at pulslaserdeposition kan anvendes til fremstilling af denne form, hvor der dannes en amorf film, som derefter afkøles hurtigt efter dannelsen.

Hurtig afkøling gør det muligt for molekylære bindinger at slække og danne sig på ny, når de strækkes, hvilket spreder de mekaniske spændinger i stedet for at koncentrere dem på bestemte steder og dermed forhindrer, at der opstår skarpe revner. Denne form for duktilitet ligner mere den, man finder i keramik, end i typiske glasprodukter.

En måde at øge aluminiumoxidets duktilitet på er at tilsætte andre mineraler til glasmatrixen. Aluminosilikatglas kombinerer for eksempel 57-60% siliciumdioxid (SiO₂) med 16-20% aluminiumoxid (Al₂O₃), 5–7% calciumoxid (CaO), 6–12% magnesiumoxid (MgO) og bortrioxid (B₂O₃); denne type er kendt for sin ridsefasthed på mobile enheder.

For at fremstille aluminiumoxidglas skal aluminiumoxidpulveret først sprøjtegranuleres med et bindemiddel af polyvinylalkohol, så der dannes en let formbar råform. Når disse granulater er formet, kan de videreforarbejdes og formes til forskellige glas- og keramikprodukter ved hjælp af tørpresning, ekstrudering, sprøjtestøbning eller varm isostatisk presning.

Produktion

Som navnet antyder, tager fremstillingen af aluminiumoxidglas udgangspunkt i aluminiumoxid (Al₂O₃), der mere almindeligt kaldes “alumina”. Producenter af aluminiummetal udvinder dette mineral fra jorden, før det forarbejdes til hvidt pulver, der bruges til at fremstille glas. Men i modsætning til silica-baserede glas, såsom dem der fremstilles med silicapulver, besidder aluminiumoxid ikke de duktilitetsegenskaber, der er nødvendige til visse anvendelser – forskere har rapporteret, at det kun deformeres under specifikke betingelser, såsom hurtige afkølingshastigheder eller når det udsættes for ekstreme belastninger.

Erkka Frankberg fra Tampere University of Technology i Finland ledede et team, der havde til formål at overvinde denne barriere. Til dette formål anvendte de en metode, der bestod af atomistisk modellering, eksperimentelle målinger og molekylærdynamiksimuleringer, med henblik på at fremstille mikroskopiske film af aluminiumoxid, der muliggjorde ubegrænset plastisk deformation.

Forskerne sprøjtede aluminiumoxidpulver på glasperler og opvarmede dem derefter til temperaturer lige over deres glasovergangstemperatur, men under krystallisationspunktet. De lod perlerne køle hurtigt af, inden de udførte analyser såsom røntgendiffraktion og differentiel termisk analyse på dem. Deres eksperimenter viste, at aluminiumoxidglas kunne strækkes op til 8%, før de brød, hvilket er betydeligt mere end siliciumdioxids typiske strækning på 2–2% og kompression på 4–40%, før det brød.

Frankbergs team undersøgte mikrostrukturen i aluminiumoxidglas. De konstaterede, at det havde et molekylært netværk, der var næsten helt fri for defekter og med tæt atomar struktur, hvilket gjorde det muligt at skifte form let, når det blev udsat for belastning. Silicaglas har derimod flere huller i sin atomstruktur, hvilket begrænser dets evne til at deformeres.

Forskere har udviklet et aluminiumoxidglas med de sjældne grundstoffer wolfram- og tantaloxider for at opnå unikke egenskaber såsom elektrisk ledningsevne og modstandsdygtighed over for kemisk nedbrydning, høj styrke og ekstrem hårdhed (9 på Mohs-skalaen).

Forskerholdet har endnu ikke udviklet en effektiv fremgangsmåde til produktion af aluminiumoxidglas af kommerciel kvalitet, men de er fortsat optimistiske med hensyn til dets potentiale. Deres næste skridt går ud på at undersøge nærmere, hvad der får det til at fungere, inden de anvender deres viden til at udvikle andre typer glas med nyttige egenskaber.