Kaca Alumina

Pasir kaca yang digunakan untuk memproduksi gelas alumina tinggi biasanya mengandung persentase magnesium yang rendah. Pasir mineral ini dapat berasal dari endapan jenis batuan atau sumber alami yang tidak dimurnikan, dan harus tetap seperti itu selama produksi.

Analisis SEM-EDS dari sampel kaca hijau JXL09 mengungkapkan inklusi merah yang mengandung kristal barit serta pengayaan Cu, Fe dan S, yang menunjukkan bahwa sampel tersebut mengandung bahan baku tembaga-besi sulfida.

Karakteristik

Kaca alumina adalah kaca aluminium oksida dengan berbagai sifat unik yang membuatnya sangat dihargai dalam aplikasi yang membutuhkan kekuatan, ketahanan kimia dan termal, transparansi optik, dan konduktivitas listrik yang rendah. Alumina digunakan secara luas di jendela pesawat terbang dan jendela mobil serta perangkat penglihatan malam serta kerucut hidung rudal pencari panas. Selain itu, Alumina memiliki konduktivitas listrik yang rendah, koefisien muai panjang dan kekerasan (peringkat tertinggi pada skala Mohs).

Situs arkeologi di seluruh Asia Selatan telah menghasilkan banyak contoh gelas yang dibuat dengan komposisi yang kaya alumina. Analisis komposisi mengindikasikan bahwa gelas-gelas ini diproduksi dengan mengikuti resep dengan sejarah panjang di wilayah ini; namun masih belum diketahui apakah resep individualnya berasal dari sana atau diadopsi dari tempat lain dalam kelompok resep yang lebih besar.

Alumina meningkatkan suhu transisi kaca, densitas dan daya tahan kimiawi kaca soda-kapur-silika dengan meningkatkan suhu transisi kaca, densitas dan daya tahan kimiawi. Alumina juga menekan pembentukan awan biru boron sekaligus menghentikan oksidasi oleh partikel silika oksida. Kaca alumina menawarkan banyak keunggulan dibandingkan isolasi tradisional dan kaca dekoratif seperti peningkatan kekuatan, titik leleh yang lebih tinggi, tingkat konduktivitas listrik yang lebih rendah, koefisien tingkat ekspansi yang lebih rendah, dan sifat ketahanan terhadap korosi yang sangat baik.

Struktur mikro kaca alumina bervariasi dengan tingkat kalsinasi. Sampel yang tidak dikalsinasi menunjukkan jaringan kristal dan beberapa rongga; ketika dipanaskan pada suhu yang menyebabkan kristalisasi permukaan meningkat lebih jauh daripada kaca konvensional; pada GS028, misalnya, oksida timah timbal bergerombol dapat dilihat di samping partikel natrium aluminosilikat dan sodalit; pada sampel lain dengan partikel tambahan yang mengandung alumina, kristalisasi permukaan meningkat secara dramatis sementara kristal cenderung memiliki dimensi yang lebih kecil secara keseluruhan dibandingkan dengan sampel kaca konvensional.

Inklusi tembaga sulfida dan tembaga oksida mentah yang ditemukan dalam kaca yang mengandung alumina benar-benar misterius, menunjukkan bahwa inklusi tersebut mungkin diperkenalkan melalui peleburan bersama tembaga oksida dan tembaga sulfida, meskipun mungkin akan membutuhkan upaya yang lama dan membosankan oleh pengrajin untuk membersihkan prill matte dari mereka sebelum inklusi bisa masuk.

Properti

Aluminium oksida (g-Al2O3) yang ditemukan dalam kaca alumina memiliki banyak karakteristik unik dan menguntungkan, termasuk titik leleh dan stabilitas suhu yang tinggi, sehingga cocok untuk aplikasi pada refraktori keramik, bahan pemoles, dan aplikasi abrasif. Selain itu, penggunaan industri untuk komponen ini termasuk penggunaan sebagai solusi penghambat api/penekan asap serta menjadi bahan baku penting dalam memproduksi alumina dan banyak paduan khusus.

Struktur mikro keramik VC yang disusupi kaca alumina sangat bervariasi di antara sampel. Secara umum, mereka cenderung berbentuk butiran dengan kristal alumina kecil dan butiran feldspar. Namun, sampel GS028 dan GS022 memiliki kristal yang lebih besar yang memiliki bentuk yang sama dengan beberapa sampel bahkan menunjukkan tanda-tanda dekomposisi yang tidak sempurna dari kaliks timah menjadi kristal oksida timah kubik yang hadir sebagai kristal oksida timah asikular yang telah terbentuk. Butiran-butiran ini kemudian terbungkus dalam matriks silikat putih lembut yang terdiri dari matriks natrium aluminosilikat.

Matriks ini menunjukkan tingkat magnesia yang rendah (1,5 berat%), menunjukkan bahwa pasir yang digunakan untuk pembuatan kaca diperoleh dari sumber mineral seperti kuarsa atau plagioklas bagian akhir dari feldspar bagian akhir serta alumina; bukti untuk hipotesis ini termasuk persentase besar feldspar alkali yang ditemukan di dalam sampelnya serta jumlah plagioklas dan kuarsa yang bervariasi.

Eksperimen yang dilakukan dengan menggunakan XRD dan difraksi neutron mengungkapkan bahwa g-Al2O3 menunjukkan struktur kristal dengan titik leleh dan stabilitas suhu yang tinggi, serta puncak tajam yang tidak biasa pada 1,52 A-1 yang sesuai dengan bidang pseudo-bragg yang dihasilkan di sepanjang kekosongan; hal ini sangat berbeda dengan oksida pembentuk gelas pada umumnya karena menunjukkan bahwa resep ini menghasilkan gelas yang berbeda secara struktural.

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa keramik alumina yang disusupi kaca dibuat dengan mengikuti resep inovatif dan signifikan secara historis, yang berbeda secara signifikan dari resep kaca arkeologi tradisional dalam hal modifikasinya untuk mengurangi masalah pengaburan yang terkait dengan kaca dengan kandungan alumina tinggi.

Aplikasi

Alumina adalah elemen kunci dalam produk kaca antipeluru karena ketahanan tekanan dan kekerasannya yang unggul, menjadikannya bahan penting dalam keramik teknis atau keramik canggih yang dirancang untuk lingkungan ekstrem, dengan persyaratan stabilitas termal serta persyaratan ketahanan aus yang ditingkatkan. Bubuk alumina juga dapat dicampur dengan bahan lain untuk menghasilkan produk kaca atau keramik yang unik dengan berbagai warna, bentuk, dan ukuran serta ditambahkan ke dalam berbagai proses pembuatan kaca seperti proses produksi kaca Aluminosilikat yang terkenal dengan ketahanan kimia dan panas yang ekstrem.

Alumina dapat ditemukan di berbagai aplikasi industri, mulai dari refraktori dan keramik hingga produk pemoles dan abrasif. Alumina juga merupakan bahan penting untuk penghambat api dan penekan asap serta peralatan medis, otomotif, dan aplikasi luar angkasa. Selain itu, karena kekuatan dan sifat ketahanan korosinya, alumina sering dikombinasikan dengan bahan seperti silika atau kapur untuk mendapatkan sifat yang optimal dalam aplikasi tertentu.

Para peneliti sedang melakukan penelitian untuk meningkatkan keuletan alumina dengan membuatnya dalam bentuk amorf aslinya, bukan dalam bentuk kristal. Investigasi mereka mengungkapkan bahwa bentuk ini memungkinkan deformasi pada suhu kamar dibandingkan dengan gelas oksida komponen tunggal yang tidak menunjukkan sifat ini. Penelitian mereka menunjukkan bahwa deposisi laser berdenyut dapat digunakan untuk membuat bentuk ini, di mana film amorf terbentuk sebelum mendingin dengan cepat setelah pembuatannya.

Pendinginan yang cepat memungkinkan ikatan molekul untuk rileks dan terbentuk kembali ketika diregangkan, menyebarkan tekanan mekanis daripada memusatkannya di titik-titik yang terkonsentrasi, sehingga menghindari munculnya retakan yang tajam. Jenis keuletan ini lebih menyerupai keramik daripada produk kaca pada umumnya.

Salah satu cara untuk meningkatkan keuletan alumina adalah dengan menambahkan mineral lain ke dalam matriks kaca. Kaca aluminosilikat, misalnya, menggabungkan silika (SiO2) 57-60% dengan aluminium oksida (Al2O3) 16-20%, kalsium oksida (CaO) 5-7%, magnesium oksida (MgO) 6-12%, dan boron trioksida (B2O3); jenis ini dikenal tahan gores pada perangkat seluler.

Untuk memproduksi kaca alumina, bubuk alumina harus terlebih dahulu digranulasi dengan pengikat polivinil alkohol untuk membentuk badan hijau yang mudah dibentuk. Setelah terbentuk, butiran ini kemudian dapat diproses lebih lanjut dan dibentuk menjadi berbagai produk kaca dan keramik dengan menggunakan teknik pengepresan kering, ekstrusi, pengecoran injeksi, atau teknik pengepresan isostatik panas.

Produksi

Sesuai dengan namanya, kaca alumina dimulai dengan aluminium oksida (Al2O3) atau lebih sering disebut sebagai "alumina." Produsen logam aluminium menambang mineral ini dari Bumi sebelum memprosesnya menjadi bubuk putih yang digunakan untuk membuat kaca. Namun tidak seperti kaca berbahan dasar silika seperti yang diproduksi dengan bubuk silika, alumina tidak memiliki sifat keuletan yang diperlukan untuk aplikasi tertentu - para peneliti telah melaporkan bahwa alumina hanya berubah bentuk pada kondisi tertentu seperti laju pendinginan yang cepat atau saat terkena beban ekstrem.

Erkka Frankberg dari Tampere University of Technology di Finlandia memimpin sebuah tim yang bertujuan untuk mengatasi hambatan ini. Untuk melakukan hal ini, mereka menggunakan pendekatan yang terdiri dari pemodelan atomistik, pengukuran eksperimental, dan simulasi dinamika molekuler untuk menghasilkan film mikroskopis alumina yang memungkinkan deformasi plastis tanpa batas.

Para ilmuwan menyemprotkan bubuk alumina ke manik-manik kaca, kemudian memanaskannya hingga suhu tepat di atas suhu transisi kaca tetapi di bawah titik kristalisasi. Mereka membiarkan manik-manik mendingin dengan cepat sebelum melakukan analisis seperti difraksi sinar-X dan analisis termal diferensial pada manik-manik tersebut. Eksperimen mereka menemukan bahwa gelas alumina dapat meregang hingga 8% sebelum pecah, yang secara signifikan lebih besar daripada peregangan khas silika 2-2% dan kompresi 4-40% sebelum pecah.

Tim Frankberg meneliti struktur mikro kaca alumina. Mereka mengamati jaringan molekulnya yang sangat bebas cacat dan sangat rapat secara atomik, yang memungkinkan peralihan yang mudah ketika mengalami tekanan. Sebaliknya, kaca silika memiliki lebih banyak celah di dalam struktur atomnya, sehingga membatasi kemampuannya untuk berubah bentuk.

Para ilmuwan merancang kaca alumina dengan elemen langka tungsten dan tantalum oksida untuk menghasilkan sifat unik seperti konduktivitas listrik dan ketahanan terhadap serangan bahan kimia, kekuatan tinggi dan kekerasan ekstrem (skala 9 Mohs).

Tim peneliti belum mengembangkan proses yang efisien untuk memproduksi kaca alumina kelas komersial; namun, mereka tetap optimis akan potensinya. Langkah selanjutnya adalah mempelajari lebih lanjut apa yang menyebabkan kaca alumina dapat bekerja sebelum menerapkan apa yang mereka ketahui untuk mengembangkan jenis kaca lain yang memiliki sifat-sifat yang berguna.