Vetro allumina

Le sabbie di vetro utilizzate per la produzione di vetri ad alto tenore di allumina contengono in genere basse percentuali di magnesia. Questa sabbia minerale può provenire da depositi di tipo roccioso o da fonti naturali non raffinate e deve rimanere tale per tutta la durata della produzione.

L'analisi SEM-EDS del campione di vetro verde JXL09 ha rivelato inclusioni rosse contenenti cristalli di barite e un arricchimento in Cu, Fe e S, suggerendo che contiene materie prime solfidiche di rame e ferro.

Caratteristiche

Il vetro di allumina è un vetro di ossido di alluminio con numerose proprietà uniche che lo rendono molto apprezzato nelle applicazioni che richiedono forza, resistenza chimica e termica, trasparenza ottica e bassa conduttività elettrica. L'allumina è ampiamente utilizzata nei finestrini degli aerei e delle automobili, nei dispositivi di visione notturna e nelle ogive dei missili a ricerca di calore. Inoltre, l'allumina vanta una bassa conducibilità elettrica, un coefficiente di espansione e una durezza (la più alta della scala Mohs).

I siti archeologici dell'Asia meridionale hanno restituito numerosi esempi di vetri realizzati con composizioni ricche di allumina. L'analisi compositiva indica che questi bicchieri sono stati prodotti seguendo ricette che hanno una lunga storia in questa regione; rimane tuttavia ignoto se le loro singole ricette abbiano avuto origine in questa regione o siano state adottate da altre parti in un gruppo più ampio di ricette.

L'allumina migliora la temperatura di transizione vetrosa, la densità e la durata chimica del vetro sodo-siliceo, aumentandone la temperatura di transizione vetrosa, la densità e la durata chimica. Inoltre, l'allumina riduce la formazione dell'intorbidimento del blu di boro, bloccandone l'ossidazione da parte delle particelle di ossido di silice. Il vetro di allumina offre molti vantaggi rispetto ai vetri isolanti e decorativi tradizionali, come una maggiore resistenza, punti di fusione più elevati, livelli di conducibilità elettrica più bassi, coefficienti di espansione più bassi ed eccellenti proprietà di resistenza alla corrosione.

La microstruttura del vetro di allumina varia a seconda del livello di calcinazione. I campioni non calcinati presentano una rete di cristalli e alcuni vuoti; quando vengono riscaldati a temperature che causano un aumento della cristallizzazione superficiale rispetto al vetro convenzionale; nel GS028, ad esempio, si possono osservare raggruppamenti di ossido di piombo e stagno insieme a particelle di alluminosilicato di sodio e sodalite; in altri campioni con particelle aggiuntive contenenti allumina, la cristallizzazione superficiale aumenta drasticamente, mentre i cristalli tendono ad avere dimensioni complessive inferiori rispetto ai campioni di vetro convenzionali.

Le inclusioni di solfuro di rame e ossido di rame grezzo trovate nei vetri contenenti allumina sono davvero misteriose, e suggeriscono che potrebbero essere state introdotte attraverso la co-fusione di rame ossidico e solfidico, anche se probabilmente sarebbe stato necessario un lungo e noioso sforzo da parte degli artigiani per ripulirli dai prills opachi prima che le inclusioni potessero entrare.

Proprietà

L'ossido di alluminio (g-Al2O3) presente nel vetro di allumina ha molte caratteristiche uniche e vantaggiose, tra cui l'elevato punto di fusione e la stabilità della temperatura, che lo rendono adatto ad applicazioni nei refrattari ceramici, nei materiali di lucidatura e nelle applicazioni abrasive. Inoltre, gli usi industriali di questo componente includono l'impiego come ritardante di fiamma/soppressore di fumo e come materia prima essenziale per la produzione di allumina e di molte leghe speciali.

La microstruttura delle ceramiche VC infiltrate con vetro di allumina varia significativamente tra i campioni. In generale, tendono a essere granulari con la presenza di piccoli cristalli di allumina e grani di feldspato. Tuttavia, i campioni GS028 e GS022 presentano cristalli più grandi che hanno una forma uguale, con alcuni campioni che mostrano persino segni di decomposizione incompleta del calice di stagno in cristalli cubici di ossido di stagno presenti come cristalli aciculari di ossido di piombo-stagno che si sono formati. Questi grani sono poi racchiusi all'interno di una matrice di silicato bianco morbido composto da matrice di alluminosilicato di sodio.

Questa matrice presenta un basso livello di magnesia (1,5 peso%), il che suggerisce che la sabbia utilizzata per la fabbricazione del vetro sia stata ottenuta da fonti minerali come quarzo o plagioclasio, membri finali di feldspati e allumina; a sostegno di questa ipotesi vi è l'alta percentuale di feldspati alcalini riscontrata all'interno dei campioni, oltre a quantità variabili di plagioclasio e quarzo presenti.

Gli esperimenti condotti utilizzando la XRD e la diffrazione di neutroni rivelano che il g-Al2O3 presenta una struttura cristallina con un punto di fusione e una stabilità di temperatura elevati, oltre a un insolito picco acuto a 1,52 A-1 che corrisponde a pseudo-piani di Bragg che si generano lungo un vuoto; ciò differisce notevolmente dai comuni ossidi che formano il vetro, in quanto dimostra che questa ricetta crea oggetti di vetro strutturalmente distinti.

I risultati di questa ricerca dimostrano che la ceramica di allumina infiltrata nel vetro è stata prodotta seguendo una ricetta innovativa e storicamente significativa, che si differenzia in modo significativo dalle ricette tradizionali del vetro archeologico in termini di modifica per ridurre i problemi di intorbidamento associati ai vetri ad alto contenuto di allumina.

Applicazioni

L'allumina è un elemento chiave nei prodotti in vetro antiproiettile grazie alla sua superiore resistenza alla pressione e alla durezza, che la rendono un materiale essenziale nelle ceramiche tecniche o avanzate progettate per ambienti estremi, con requisiti di stabilità termica e di resistenza all'usura. La polvere di allumina può anche essere mescolata con altri materiali per produrre prodotti di vetro o ceramica unici di vari colori, forme e dimensioni, nonché aggiunta a vari processi di produzione del vetro, come i processi di produzione del vetro alluminosilicato, rinomato per la sua estrema resistenza chimica e al calore.

L'allumina si trova in numerose applicazioni industriali, dai refrattari e dalle ceramiche ai prodotti per la lucidatura e l'abrasione. L'allumina è anche un ingrediente importante dei ritardanti di fiamma e dei soppressori di fumo, nonché dei dispositivi medici e delle applicazioni automobilistiche e aerospaziali. Inoltre, grazie alle sue proprietà di forza e resistenza alla corrosione, viene spesso combinata con materiali come la silice o la calce per ottenere proprietà ottimali in determinate applicazioni.

I ricercatori stanno conducendo studi per migliorare la duttilità dell'allumina creandola nel suo stato originale, amorfo, anziché cristallino. Le loro indagini hanno rivelato che questa forma consente la deformazione a temperatura ambiente rispetto ai vetri ossidati monocomponenti che non presentano questa caratteristica. La ricerca suggerisce che la deposizione laser pulsata può essere utilizzata per fabbricare questa forma, in cui si forma un film amorfo prima di raffreddarsi rapidamente dopo la sua creazione.

Il rapido raffreddamento consente ai legami molecolari di rilassarsi e riformarsi quando vengono stirati, disperdendo le sollecitazioni meccaniche anziché concentrarle in punti particolari, evitando così la comparsa di fessure nette. Questo tipo di duttilità assomiglia a quella della ceramica piuttosto che a quella tipica dei prodotti in vetro.

Un modo per aumentare la duttilità dell'allumina è aggiungere altri minerali alla matrice di vetro. Il vetro alluminosilicato, ad esempio, combina 57-60% di silice (SiO2) con 16-20% di ossido di alluminio (Al2O3), 5-7% di ossido di calcio (CaO), 6-12% di ossido di magnesio (MgO) e triossido di boro (B2O3); questo tipo di vetro è noto per essere resistente ai graffi nei dispositivi mobili.

Per produrre il vetro di allumina, la polvere di allumina deve essere prima granulata a spruzzo con un legante a base di alcol polivinilico per formare un corpo verde facilmente formabile. Una volta formati, questi granuli possono essere ulteriormente lavorati e modellati in vari prodotti di vetro e ceramica utilizzando tecniche di pressatura a secco, estrusione, colata a iniezione o pressatura isostatica a caldo.

Produzione

Come suggerisce il nome, il vetro alluminato inizia con l'ossido di alluminio (Al2O3) o più comunemente chiamato "allumina". I produttori di alluminio metallico estraggono questo minerale dalla Terra prima di trasformarlo nella polvere bianca utilizzata per produrre il vetro. Tuttavia, a differenza dei vetri a base di silice, come quelli prodotti con polveri di silice, l'allumina non possiede le proprietà di duttilità necessarie per determinate applicazioni: i ricercatori hanno riferito che si deforma solo in condizioni specifiche, come ad esempio in caso di raffreddamento rapido o di esposizione a carichi estremi.

Erkka Frankberg della Tampere University of Technology, in Finlandia, ha guidato un team che mirava a superare questa barriera. Per farlo, hanno utilizzato un approccio che consiste nella modellazione atomistica, nelle misurazioni sperimentali e nelle simulazioni di dinamica molecolare, al fine di produrre film microscopici di allumina che permettessero una deformazione plastica illimitata.

Gli scienziati hanno spruzzato polvere di allumina su perle di vetro, quindi le hanno riscaldate a temperature appena superiori alla loro temperatura di transizione vetrosa ma inferiori al punto di cristallizzazione. Hanno lasciato raffreddare rapidamente le perle prima di eseguire su di esse analisi come la diffrazione dei raggi X e l'analisi termica differenziale. Dagli esperimenti è emerso che i vetri di allumina possono allungarsi fino a 8% prima di rompersi, un valore significativamente maggiore rispetto all'allungamento di 2-2% e alla compressione di 4-40% tipici della silice.

Il team di Frankberg ha esaminato la microstruttura del vetro di allumina. Hanno osservato la sua rete di molecole altamente priva di difetti e atomicamente vicina, che permette una facile commutazione quando viene sottoposta a stress. Al contrario, il vetro di silice presenta più lacune all'interno della sua struttura atomica, limitando così la sua capacità di deformazione.

Gli scienziati hanno progettato il vetro di allumina con ossidi di tungsteno e tantalio, elementi rari, per ottenere proprietà uniche come la conducibilità elettrica e la resistenza agli attacchi chimici, l'elevata resistenza e l'estrema durezza (scala 9 Mohs).

Il team di ricerca non ha ancora sviluppato un processo efficiente per la produzione di vetro allumina di grado commerciale, ma rimane ottimista sul suo potenziale. I prossimi passi prevedono di studiare ulteriormente le cause del suo funzionamento, prima di applicare le conoscenze acquisite per sviluppare altri tipi di vetro con proprietà utili.