Vidrio alúmina

Las arenas vítreas utilizadas para fabricar vidrios con alto contenido en alúmina suelen contener bajos porcentajes de magnesia. Esta arena mineral puede proceder de yacimientos de tipo rocoso o de fuentes naturales sin refinar, y debe permanecer así durante toda la producción.

El análisis SEM-EDS de la muestra de vidrio verde JXL09 reveló inclusiones rojas que contenían cristales de barita, así como un enriquecimiento en Cu, Fe y S, lo que sugiere que contiene materias primas sulfídicas de cobre-hierro.

Características

El vidrio de alúmina es un vidrio de óxido de aluminio con numerosas propiedades únicas que lo hacen muy apreciado en aplicaciones que requieren solidez, resistencia química y térmica, transparencia óptica y baja conductividad eléctrica. La alúmina se utiliza mucho en ventanas de aviones y automóviles, así como en dispositivos de visión nocturna y conos de ojiva de misiles térmicos. Además, la alúmina presenta una baja conductividad eléctrica, coeficiente de dilatación y dureza (la más alta en la escala de Mohs).

Los yacimientos arqueológicos del sur de Asia han proporcionado numerosos ejemplos de vasos fabricados con composiciones ricas en alúmina. El análisis de la composición indica que estos vasos se fabricaron siguiendo recetas con una larga historia en esta región; sin embargo, se desconoce si sus recetas individuales se originaron allí o se adoptaron de otros lugares en un grupo más amplio de recetas.

La alúmina mejora la temperatura de transición vítrea, la densidad y la durabilidad química del vidrio sódico-cálcico-sílice aumentando su temperatura de transición vítrea, su densidad y su durabilidad química. La alúmina también reduce la formación de nubes de azul de boro y detiene su oxidación por partículas de óxido de sílice. El vidrio de alúmina ofrece muchas ventajas con respecto a los vidrios aislantes y decorativos tradicionales, como una mayor resistencia, puntos de fusión más altos, niveles de conductividad eléctrica más bajos, índices de coeficiente de dilatación más bajos y excelentes propiedades de resistencia a la corrosión.

La microestructura del vidrio de alúmina varía con su nivel de calcinación. Las muestras sin calcinar presentan una red de cristales y algunos huecos; cuando se calientan a temperaturas que hacen que la cristalización de la superficie aumente más que en el vidrio convencional; en GS028, por ejemplo, puede observarse óxido de plomo y estaño agrupado junto a partículas de aluminosilicato de sodio y sodalita; en otras muestras con partículas adicionales que contienen alúmina, la cristalización de la superficie aumenta drásticamente, mientras que los cristales tienden a tener en general dimensiones más pequeñas que las muestras de vidrio convencional.

Las inclusiones de sulfuro de cobre y óxido de cobre en bruto encontradas en vidrios que contienen alúmina son realmente misteriosas, lo que sugiere que posiblemente se introdujeron a través de la cofusión de cobre oxídico y sulfídico, aunque probablemente los artesanos habrían tenido que realizar largos y tediosos esfuerzos para limpiar los grumos mates de los mismos antes de que pudieran haber entrado las inclusiones.

Propiedades

El óxido de aluminio (g-Al2O3) que se encuentra en el vidrio de alúmina tiene muchas características únicas y ventajosas, como su alto punto de fusión y estabilidad térmica, que lo hacen adecuado para aplicaciones en refractarios cerámicos, materiales de pulido y aplicaciones abrasivas. Además, este componente se utiliza en la industria como retardante del fuego/supresor de humos y como materia prima esencial en la producción de alúmina y de muchas aleaciones especiales.

La microestructura de las cerámicas de CV con infiltración de vidrio de alúmina varía significativamente de unas muestras a otras. En general, tienden a ser granulares, con presencia de pequeños cristales de alúmina y granos de feldespato. Sin embargo, las muestras GS028 y GS022 presentan cristales más grandes que tienen una forma igual con algunas muestras que incluso muestran signos de descomposición incompleta del calco de estaño en cristales cúbicos de óxido de estaño presentes como cristales aciculares de óxido de estaño de plomo que se han formado. Estos granos están entonces encerrados dentro de una matriz blanda de silicato blanco compuesta de matriz de aluminosilicato de sodio.

Esta matriz presenta un bajo nivel de magnesia (1,5 peso%), lo que sugiere que la arena utilizada para la fabricación de vidrio se obtuvo a partir de fuentes minerales como el cuarzo o la plagioclasa miembros finales de feldespato, así como alúmina; la evidencia de esta hipótesis incluye el gran porcentaje de feldespatos alcalinos encontrados dentro de sus muestras, así como cantidades variables de plagioclasa y cuarzo presentes.

Los experimentos realizados mediante DRX y difracción de neutrones revelan que el g-Al2O3 presenta una estructura cristalina con un punto de fusión y una estabilidad de temperatura elevados, junto con un pico agudo inusual a 1,52 A-1 que corresponde a pseudoplanos de Bragg que se generan a lo largo de un vacío; esto difiere en gran medida de los óxidos formadores de vidrio comunes, ya que demuestra que esta receta crea vidrios estructuralmente distintos.

Los resultados de esta investigación demuestran que la cerámica de alúmina infiltrada en vidrio se fabricó siguiendo una receta innovadora e históricamente significativa, que difería significativamente de las recetas tradicionales de vidrio arqueológico en cuanto a su modificación para reducir los problemas de enturbiamiento asociados a los vidrios con alto contenido en alúmina.

Aplicaciones

La alúmina es un elemento clave en los productos de vidrio a prueba de balas debido a su resistencia superior a la presión y a su dureza, lo que la convierte en un material esencial en cerámicas técnicas o avanzadas diseñadas para entornos extremos, con requisitos de estabilidad térmica así como requisitos de resistencia al desgaste mejorada. El polvo de alúmina también puede mezclarse con otros materiales para fabricar productos únicos de vidrio o cerámica de diversos colores, formas y tamaños, así como añadirse a diversos procesos de fabricación de vidrio, como los procesos de producción de vidrio de aluminosilicato, famosos por su extrema resistencia química y térmica.

La alúmina se encuentra en numerosas aplicaciones industriales, desde refractarios y cerámicas hasta productos de pulido y abrasivos. La alúmina también es un ingrediente importante de los retardantes del fuego y los supresores de humos, así como de dispositivos médicos y aplicaciones automovilísticas y aeroespaciales. Además, por sus propiedades de solidez y resistencia a la corrosión, suele combinarse con materiales como la sílice o la cal para obtener propiedades óptimas en determinadas aplicaciones.

Los investigadores están realizando estudios para mejorar la ductilidad de la alúmina creándola en su estado original, amorfo, en lugar de en forma cristalina. Sus investigaciones revelaron que esta forma permite la deformación a temperatura ambiente en comparación con los vidrios de óxido monocomponente, que no presentan esta característica. Sus investigaciones sugieren que la deposición por láser pulsado puede utilizarse para fabricar esta forma, en la que se forma una película amorfa antes de enfriarse rápidamente tras su creación.

El enfriamiento rápido permite que los enlaces moleculares se relajen y se reformen cuando se estiran, dispersando las tensiones mecánicas en lugar de concentrarlas en puntos puntuales, lo que evita que aparezcan grietas pronunciadas. Este tipo de ductilidad se asemeja más a la de la cerámica que a la de los productos típicos del vidrio.

Una forma de aumentar la ductilidad de la alúmina es añadir otros minerales a la matriz del vidrio. El vidrio aluminosilicato, por ejemplo, combina 57-60% de sílice (SiO2) con 16-20% de óxido de aluminio (Al2O3), 5-7% de óxido de calcio (CaO), 6-12% de óxido de magnesio (MgO) y trióxido de boro (B2O3); este tipo es conocido por ser resistente a los arañazos en los dispositivos móviles.

Para producir vidrio de alúmina, el polvo de alúmina debe granularse primero con alcohol polivinílico como aglutinante para formar un cuerpo verde fácilmente moldeable. Una vez formados, estos gránulos pueden seguir procesándose y moldearse para obtener diversos productos de vidrio y cerámica mediante técnicas de prensado en seco, extrusión, fundición por inyección o prensado isostático en caliente.

Producción

Como su nombre indica, el vidrio aluminoso comienza con óxido de aluminio (Al2O3) o, más comúnmente, "alúmina". Los productores de aluminio metal extraen este mineral de la Tierra antes de transformarlo en polvo blanco que se utiliza para fabricar vidrio. Pero a diferencia de los vidrios a base de sílice, como los producidos con polvos de sílice, la alúmina no posee las propiedades de ductilidad necesarias para determinadas aplicaciones: los investigadores han informado de que sólo se deforma en condiciones específicas, como velocidades de enfriamiento rápidas o cuando se expone a cargas extremas.

Erkka Frankberg, de la Universidad Tecnológica de Tampere (Finlandia), dirigió un equipo cuyo objetivo era superar este obstáculo. Para ello, utilizaron un enfoque consistente en modelado atomístico, mediciones experimentales y simulaciones de dinámica molecular con el fin de producir películas microscópicas de alúmina que permitieran una deformación plástica sin restricciones.

Los científicos pulverizaron polvo de alúmina sobre perlas de vidrio y luego las calentaron a temperaturas justo por encima de su temperatura de transición vítrea pero por debajo del punto de cristalización. Dejaron que las perlas se enfriaran rápidamente antes de realizar en ellas análisis como la difracción de rayos X y el análisis térmico diferencial. Sus experimentos revelaron que los vidrios de alúmina podían estirarse hasta 8% antes de romperse, lo que es significativamente mayor que el estiramiento típico de la sílice de 2-2% y la compresión de 4- 40% antes de romperse.

El equipo de Frankberg examinó la microestructura del vidrio de alúmina. Observaron su red de moléculas atómicamente unidas y sin defectos, que permitía una fácil conmutación cuando se sometía a tensión. Por el contrario, el vidrio de sílice tiene más huecos dentro de su estructura atómica, lo que restringe su capacidad de deformación.

Los científicos diseñaron vidrio de alúmina con óxidos de tungsteno y tantalio, elementos raros, para producir propiedades únicas como conductividad eléctrica y resistencia a ataques químicos, alta resistencia y dureza extrema (escala de 9 Mohs).

El equipo de investigadores aún no ha desarrollado un proceso eficaz para producir vidrio de alúmina de calidad comercial; sin embargo, siguen siendo optimistas respecto a su potencial. Sus próximos pasos consisten en seguir estudiando las causas de su funcionamiento antes de aplicar lo que saben al desarrollo de otros tipos de vidrio con propiedades útiles.