Aliuminio oksido stiklas

Stiklo smėlis, naudojamas aukšto aliuminio oksido kiekio stiklui gaminti, paprastai turi nedidelį magnezijos oksido kiekį. Šis mineralinis smėlis gali būti gaunamas iš uolienų telkinių arba iš neapdorotų gamtinių šaltinių ir turi išlikti tokio paties pobūdžio per visą gamybos procesą.

Atlikus žalios stiklo mėginio JXL09 SEM-EDS analizę, buvo aptiktos raudonos įterptys, kuriose yra barito kristalai, taip pat nustatytas padidėjęs Cu, Fe ir S kiekis, o tai rodo, kad jame yra sulfidinių vario ir geležies žaliavų.

Charakteristikos

Aluminos stiklas – tai aliuminio oksido stiklas, pasižymintis daugybe unikalių savybių, dėl kurių jis labai vertinamas tose srityse, kur reikalingas tvirtumas, atsparumas cheminiam poveikiui ir karščiui, optinis skaidrumas bei mažas elektrinis laidumas. Aluminos stiklas plačiai naudojamas lėktuvų ir automobilių languose, taip pat naktinio matymo prietaisuose bei šilumą fiksuojančių raketų nosinėse dalyse. Be to, aluminos stiklas pasižymi mažu elektros laidumu, mažu plėtimosi koeficientu ir kietumu (aukščiausias reitingas pagal Moso skalę).

Archeologinėse vietovėse visoje Pietų Azijoje rasta daugybė stiklo pavyzdžių, pagamintų iš aliuminio oksidu turtingų sudėčių. Sudėties analizė rodo, kad šis stiklas buvo gaminamas pagal receptūras, turinčias ilgą istoriją šiame regione; tačiau lieka neaišku, ar atskirų receptūrų kilmės vieta yra būtent šis regionas, ar jos buvo perimtos iš kitur, kaip dalis platesnės receptūrų grupės.

Aliuminis pagerina natrio-kalcio-silicio stiklo stiklėjimo temperatūrą, tankį ir cheminį atsparumą, padidindamas jo stiklėjimo temperatūrą, tankį ir cheminį atsparumą. Alumina taip pat slopina boro mėlynojo drumstumo susidarymą ir stabdo jo oksidaciją, kurią sukelia silicio dioksido dalelės. Aluminos stiklas turi daug privalumų, palyginti su tradiciniais izoliaciniais ir dekoratyviniais stiklais, pavyzdžiui, didesnį stiprumą, aukštesnę lydymosi temperatūrą, mažesnį elektros laidumą, mažesnį plėtimosi koeficientą ir puikias atsparumo korozijai savybes.

Aluminosilikato stiklo mikrostruktūra priklauso nuo jo kalcinavimo laipsnio. Nekalcinuotuose mėginiuose matomas kristalų tinklas ir keletas tuštumų; kaitinant iki temperatūrų, dėl kurių paviršinė kristalizacija sustiprėja labiau nei įprastame stikle; pavyzdžiui, GS028 mėginyje greta natrio aliumosilikato ir sodalito dalelių matomi susikaupę švino-stibio oksido klasteriai; kituose mėginiuose, kuriuose yra papildomų aliuminio oksido turinčių dalelių, paviršiaus kristalizacija smarkiai padidėja, o kristalai paprastai yra mažesnių matmenų nei įprastų stiklo mėginių.

Vario sulfido ir neapdoroto vario oksido intarpai, rasti stikle, kurio sudėtyje yra aliuminio oksido, yra tikrai paslaptingi; tai leidžia manyti, kad jie galėjo patekti į stiklą lydant kartu oksidinį ir sulfidinį varį, nors, tikėtina, amatininkams teko ilgai ir kruopščiai valyti iš jų matinius granuliukus, kol intarpai galėjo patekti į stiklą.

Savybės

Aliuminio oksidas (g-Al₂O₃), esantis aliuminio oksido stikle, pasižymi daugybe unikalių ir naudingų savybių, įskaitant aukštą lydymosi temperatūrą ir temperatūrinį stabilumą, todėl jis tinka naudoti keraminiuose ugniai atspariuose medžiaguose, poliravimo medžiagose ir abrazyvuose. Be to, pramonėje šis komponentas naudojamas kaip antipirenas ir dūmų slopintuvas, taip pat yra pagrindinė žaliava gaminant aliuminio oksidą ir daugelį specialiųjų lydinių.

Aliuminio oksidu stiklu įsiskverbusios VC keramikos mikrostruktūra skirtinguose mėginiuose labai skiriasi. Apskritai ji paprastai yra granuliuota, joje randama mažų aliuminio oksido kristalų ir lauko špato grūdelių. Tačiau mėginiuose GS028 ir GS022 matomi didesni kristalai, kurių forma vienoda; kai kuriuose mėginiuose net pastebimi ženklai, kad alavo kalksas ne visiškai suskaidėsi į kubinius alavo oksido kristalus, o susiformavo adatiniai švino-alavo oksido kristalai. Šie grūdai yra įterpti į minkštą baltą silikatinę matricą, sudarytą iš natrio aliumosilikato.

Šioje matricoje nustatytas žemas magnio kiekis (1,5 svorio %), o tai leidžia daryti prielaidą, kad stiklo gamybai naudotas smėlis buvo gautas iš mineralinių šaltinių, pavyzdžiui, kvarco ar plagioklazo – laukošpato grupės kraštinių narių – bei aliuminio oksido; šią hipotezę patvirtina didelė šarminių lauko špato rūšių dalis, rasta šioje matricoje, taip pat įvairūs plagioklazo ir kvarco kiekiai.

Eksperimentai, atlikti naudojant XRD ir neutronų difrakciją, rodo, kad g-Al₂O₃ pasižymi kristaline struktūra, aukšta lydymosi temperatūra ir temperatūriniu stabilumu, taip pat neįprastu ryškiu piku ties 1,52 A⁻¹, kuris atitinka pseudobrago plokštumas, susidarančias palei tuštumą; tai labai skiriasi nuo įprastų stiklą sudarančių oksidų, nes rodo, kad ši sudėtis sukuria struktūriškai išskirtinius stiklo gaminius.

Šio tyrimo rezultatai rodo, kad stiklu įmirkyta aliuminio oksido keramika buvo gaminama pagal novatorišką ir istoriškai reikšmingą receptūrą, kuri žymiai skyrėsi nuo tradicinių archeologinių stiklo receptūrų tuo, kad buvo modifikuota siekiant sumažinti drumstumo problemas, susijusias su stiklais, kurių sudėtyje yra didelis aliuminio oksido kiekis.

Paraiškos

Aliuminis yra pagrindinis elementas neperšaunamų stiklo gaminių sudėtyje dėl savo išskirtinio atsparumo slėgiui ir kietumo, todėl jis yra nepakeičiama medžiaga techninėje ar pažangiojoje keramikoje, skirtoje ekstremalioms aplinkos sąlygoms, kuriai keliami terminio stabilumo bei padidinto atsparumo nusidėvėjimui reikalavimai. Alumino oksido milteliai taip pat gali būti maišomi su kitomis medžiagomis, siekiant pagaminti unikalius įvairių spalvų, formų ir dydžių stiklo ar keramikos gaminius, taip pat gali būti naudojami įvairiuose stiklo gamybos procesuose, pavyzdžiui, aliumosilikatinio stiklo gamybos procesuose, kurie garsėja ypatingu atsparumu cheminėms medžiagoms ir karščiui.

Aliuminis naudojamas daugelyje pramonės sričių – nuo ugniai atsparių medžiagų ir keramikos iki poliravimo ir šlifavimo priemonių. Aliuminis taip pat yra svarbi sudedamoji dalis gaisrą slopinančiose ir dūmų slopinančiose medžiagose, taip pat medicinos prietaisuose, automobilių ir aviacijos pramonėje. Be to, dėl savo stiprumo ir atsparumo korozijai savybių jis dažnai derinamas su tokiomis medžiagomis kaip silicio dioksidas ar kalkės, siekiant užtikrinti optimalias savybes tam tikrose srityse.

Mokslininkai atlieka tyrimus, siekdami padidinti aliuminio oksido plastiškumą, gaminant jį ne kristalinėje, o pirminėje, amorfinėje būsenoje. Jų tyrimai parodė, kad ši forma leidžia deformuotis kambario temperatūroje, skirtingai nuo vienkomponenčių oksidinių stiklų, kurie šios savybės neturi. Jų tyrimai rodo, kad šiai formai pagaminti galima naudoti impulsinį lazerinį nusodinimo metodą, kurio metu suformuojama amorfinė plėvelė, o po jos susidarymo ji greitai atšaldoma.

Spartus atvėsinimas leidžia molekulinėms jungtims atsipalaiduoti ir, jas ištempus, susiformuoti iš naujo, taip išsklaidant mechaninius įtempius, o ne sutelkiant juos tam tikrose vietose, ir taip išvengiant staigių įtrūkimų atsiradimo. Šis plastiškumo tipas labiau primena keramiką nei tipinius stiklo gaminius.

Vienas iš būdų padidinti aliuminio oksido plastiškumą – į stiklo matricą įmaišyti kitų mineralų. Pavyzdžiui, aliuminosilikatinis stiklas susideda iš 57–60% silicio dioksido (SiO₂), 16–20% aliuminio oksido (Al₂O₃), 5–7% kalcio oksido (CaO), 6–12% magnio oksido (MgO) ir boro trioksido (B₂O₃); šis stiklo tipas žinomas dėl savo atsparumo įbrėžimams mobiliuosiuose įrenginiuose.

Norint pagaminti aliuminio oksido stiklą, aliuminio oksido milteliai pirmiausia turi būti granuliuojami purškimo būdu, naudojant polivinilo alkoholio rišiklį, kad susidarytų lengvai formuojamas žaliavinis gaminys. Suformuotos granulės vėliau gali būti toliau apdorojamos ir formuojamos į įvairius stiklo bei keramikos gaminius, naudojant sausąjį presavimą, ekstruziją, liejimą į formą arba karštą izostatinį presavimą.

Gamyba

Kaip matyti iš pavadinimo, aliuminio oksido stiklas gaminamas iš aliuminio oksido (Al₂O₃), dažniau vadinamo “aliuminiu”. Aliuminio metalą gaminantys gamintojai išgauna šį mineralą iš žemės gelmių, o po to jį perdirba į baltus miltelius, naudojamus stiklo gamybai. Tačiau, skirtingai nuo silicio dioksidu pagrįstų stiklų, pavyzdžiui, pagamintų iš silicio dioksido miltelių, aliuminio oksidas neturi tam tikroms taikymo sritims reikalingų plastiškumo savybių – mokslininkai nustatė, kad jis deformuojasi tik tam tikromis sąlygomis, pavyzdžiui, esant greitam atšaldymui arba veikiant ekstremalioms apkrovoms.

Erkka Frankberg iš Tamperės technologijos universiteto Suomijoje vadovavo komandai, kurios tikslas buvo įveikti šią kliūtį. Šiam tikslui pasiekti jie taikė metodą, apimantį atomistinį modeliavimą, eksperimentinius matavimus ir molekulinės dinamikos simuliacijas, siekdami pagaminti mikroskopines aliuminio oksido plėveles, leidžiančias vykdyti neribotą plastinę deformaciją.

Mokslininkai ant stiklinių karoliukų purškė aliuminio oksido miltelius, po to juos kaitino iki temperatūros, šiek tiek viršijančios stiklo perėjimo temperatūrą, bet nesiekiančios kristalizacijos taško. Prieš atliekant tyrimus, pavyzdžiui, rentgeno difrakciją ir diferencinę terminę analizę, jie leido karoliukams greitai atvėsti. Eksperimentai parodė, kad aliuminio oksido stiklai prieš lūžimą gali išsitempti iki 8%, o tai yra žymiai daugiau nei tipinis silicio dioksido 2–2% ištempimas ir 4–40% suspaudimas prieš lūžimą.

Frankbergo komanda ištyrė aliuminio oksido stiklo mikrostruktūrą. Jie pastebėjo, kad jo molekulių tinklas yra beveik be defektų ir atominiu lygmeniu labai tankus, o tai leidžia lengvai keisti formą, kai stiklas patiria įtempį. Priešingai, silicio dioksido stiklo atominėje struktūroje yra daugiau tarpų, todėl jo gebėjimas deformuotis yra ribotas.

Mokslininkai sukūrė aliuminio oksido stiklą, į kurio sudėtį įtraukė retuosius elementus – volframo ir tantalo oksidus, siekdami suteikti jam unikalių savybių, tokių kaip elektrinis laidumas ir atsparumas cheminiam poveikiui, didelis stiprumas ir ypatingas kietumas (9 pagal Moso skalę).

Mokslininkų komanda dar nesukūrė veiksmingo komercinės kokybės aliuminio oksido stiklo gamybos proceso, tačiau jie ir toliau optimistiškai vertina jo potencialą. Toliau jie ketina išsamiau ištirti, kas lemia šio stiklo savybes, o vėliau, remdamiesi įgyta patirtimi, kurti kitus stiklo tipus, pasižyminčius naudingomis savybėmis.