Alumīnija oksīda stikls

Stikla smiltis, ko izmanto augsta alumīnija satura stiklu ražošanā, parasti satur nelielu magnija oksīda daudzumu. Šīs minerālās smiltis var būt iegūtas gan no iežu nogulumu atradnēm, gan no neapstrādātiem dabas avotiem, un tām jāpaliek nemainīgām visā ražošanas procesā.

Zaļā stikla parauga JXL09 SEM-EDS analīze atklāja sarkanus ieslēgumus, kuros bija barīta kristāli, kā arī paaugstinātu Cu, Fe un S saturu, kas liecina par to, ka paraugs satur sulfīdus saturošas vara un dzelzs izejvielas.

Raksturlielumi

Alumīnija oksīda stikls ir stikls, kura sastāvā ir alumīnija oksīds, un tam piemīt daudzas unikālas īpašības, kas to padara ļoti vērtīgu lietojumos, kuros nepieciešama izturība, ķīmiskā un termiskā izturība, optiskā caurspīdība un zema elektrovadītspēja. Alumīnija oksīda stiklu plaši izmanto lidmašīnu un automobiļu logos, kā arī nakts redzamības ierīcēs un siltuma meklējošo raķešu priekšgalos. Turklāt alumīnija oksīda stiklam piemīt zema elektrovadītspēja, zems izplešanās koeficients un augsta cietība (augstākais rādītājs pēc Mosa skalas).

Arheoloģiskajos izrakumos visā Dienvidāzijā ir atrasti daudzi stikla paraugi, kas izgatavoti no alumīnija oksīda bagātiem sastāviem. Sastāva analīze liecina, ka šie stikli tika ražoti pēc receptēm, kurām šajā reģionā ir sena vēsture; tomēr joprojām nav zināms, vai šīs konkrētās receptes ir cēlušās tieši šeit vai arī tās tika pārņemtas no citurienes kā daļa no plašākas receptu grupas.

Alumīnija oksīds uzlabo nātrija-kalcija-silīcija stikla stiklošanās temperatūru, blīvumu un ķīmisko izturību, palielinot tā stiklošanās temperatūru, blīvumu un ķīmisko izturību. Alumīnija oksīds arī samazina bora izraisīto zilo apduļķošanos, vienlaikus apturot tā oksidēšanos, ko izraisa silīcija oksīda daļiņas. Alumīnija oksīda stiklam ir daudzas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajiem izolācijas un dekoratīvajiem stikliem, piemēram, paaugstināta izturība, augstākas kušanas temperatūras, zemāka elektrovadītspēja, zemāks izplešanās koeficients un izcilas korozijas izturības īpašības.

Alumīnija oksīda stikla mikrostruktūra mainās atkarībā no tā kalcinēšanas pakāpes. Nekalcinēti paraugi uzrāda kristālu tīklu un dažas tukšuma vietas; kad tos uzkarsē līdz temperatūrām, kas izraisa virsmas kristalizācijas palielināšanos vairāk nekā parastajam stiklam; piemēram, paraugā GS028 blakus nātrija alumīnijsilikāta un sodalīta daļiņām var redzēt sakopotus svina-alvas oksīda klasterus; citos paraugos, kuros ir papildu alumīnija oksīdu saturošas daļiņas, virsmas kristalizācija strauji palielinās, savukārt kristāliem kopumā ir mazāki izmēri nekā parastajiem stikla paraugiem.

Alumīnija oksīdu saturošā stiklā atrastie vara sulfīda un neattīrīta vara oksīda ieslēgumi ir patiesi noslēpumaini, liecinot, ka tie, iespējams, tur nonāca, kopīgi kausējot oksīda un sulfīda veida varu, lai gan, visticamāk, amatniekiem būtu bijis jāvelta ilgs un nogurdinošs darbs, lai no tiem notīrītu matētas granulas, pirms ieslēgumi varētu iekļūt stiklā.

Īpašības

Alumīnija oksīdam (g-Al₂O₃), kas atrodams alumīnija oksīda stiklā, piemīt daudzas unikālas un izdevīgas īpašības, tostarp augsta kušanas temperatūra un termiskā stabilitāte, kas padara to piemērotu izmantošanai keramiskajos ugunsizturīgajos materiālos, pulēšanas materiālos un abrazīvajos līdzekļos. Turklāt šī komponenta rūpnieciskie pielietojumi ietver izmantošanu kā ugunsdrošības un dūmu slāpēšanas līdzekļos, kā arī kā būtisku izejvielu gan alumīnija oksīda, gan daudzu speciālo sakausējumu ražošanā.

Ar alumīnija oksīda stiklu piesātinātas VC keramikas mikrostruktūra paraugos ievērojami atšķiras. Kopumā tā parasti ir granulāra, tajā sastopami sīki alumīnija oksīda kristāli un feldspāta graudi. Tomēr paraugos GS028 un GS022 ir lielāki kristāli, kuriem ir vienāda forma, un dažos paraugos pat novērojamas pazīmes, kas liecina par alvas kalksa nepilnīgu sadalīšanos kubveida alvas oksīda kristālos, kas veidojušies kā adatuveida svina-alvas oksīda kristāli. Šie graudi ir ietverti mīkstā, baltā silikātu matricā, kas sastāv no nātrija alumīnijsilikāta.

Šajā matricā novērots zems magnija saturs (1,5 pēc svara), kas liecina, ka stikla ražošanai izmantotais smilts tika iegūts no minerāliem, piemēram, kvarca vai plagioklāza — feldspāta galējiem komponentiem, kā arī no alumīnija oksīda; Šo hipotēzi apstiprina gan lielais sārmaino feldspātu īpatsvars paraugos, gan arī dažāds plagioklāza un kvarca saturs.

Eksperimenti, kas veikti, izmantojot XRD un neitronu difrakciju, liecina, ka g-Al₂O₃ piemīt kristāliska struktūra ar augstu kušanas temperatūru un termisko stabilitāti, kā arī neparasti asu pīķi pie 1,52 A⁻¹, kas atbilst pseidobraga plaknēm, kas veidojas gar tukšumu; tas ievērojami atšķiras no parastajiem stikla veidojošajiem oksīdiem, jo liecina, ka šī recepte rada strukturāli atšķirīgus stikla izstrādājumus.

Šī pētījuma rezultāti liecina, ka ar stiklu piesātināta alumīnija oksīda keramika tika ražota, izmantojot novatorisku un vēsturiski nozīmīgu recepti, kas būtiski atšķīrās no tradicionālajām arheoloģiskajām stikla receptēm, jo tajā bija veikti pielāgojumi, lai samazinātu stikla apduļķošanos, kas saistīta ar augstu alumīnija oksīda saturu.

Pieteikumi

Alumīnija oksīds ir galvenā sastāvdaļa bruņu stikla izstrādājumos, pateicoties tā izcilajai spiediena izturībai un cietībai, kas to padara par neaizstājamu materiālu tehniskajā vai augsto tehnoloģiju keramikā, kas paredzēta ekstrēmiem apstākļiem, kuriem raksturīgas augstas prasības gan attiecībā uz termisko stabilitāti, gan uz paaugstinātu nodilumizturību. Alumīnija oksīda pulveri var arī sajaukt ar citiem materiāliem, lai ražotu unikālus stikla vai keramikas izstrādājumus dažādās krāsās, formās un izmēros, kā arī pievienot dažādos stikla ražošanas procesos, piemēram, alumīnijsilikāta stikla ražošanas procesos, kas ir pazīstami ar savu ārkārtējo ķīmisko un termisko izturību.

Alumīnija oksīds tiek izmantots daudzās rūpnieciskās jomās — sākot no ugunsizturīgiem materiāliem un keramikas līdz pulēšanas un abrazīvajiem izstrādājumiem. Alumīnija oksīds ir arī svarīga sastāvdaļa ugunsdrošības līdzekļos un dūmu slāpētājos, kā arī medicīniskajās ierīcēs, automobiļu un kosmosa nozarē. Turklāt, pateicoties tā izturībai un korozijas izturībai, to bieži kombinē ar tādiem materiāliem kā silīcija dioksīds vai kaļķis, lai noteiktos pielietojumos panāktu optimālas īpašības.

Pētnieki veic pētījumus, lai uzlabotu alumīnija oksīda plastiskumu, radot to tā sākotnējā, amorfā stāvoklī, nevis kristāliskā formā. Viņu pētījumi atklāja, ka šis stāvoklis ļauj materiālam deformēties istabas temperatūrā, atšķirībā no vienkomponentu oksīda stikliem, kuriem šī īpašība nav raksturīga. Pētījumi liecina, ka šīs formas izgatavošanai var izmantot impulsu lāzera nogulsnēšanu, kuras laikā tiek veidota amorfa plēve, kas pēc izveides tiek strauji atdzesēta.

Ātra atdzišana ļauj molekulārajām saiknēm atslābināties un pārveidoties, kad tās tiek izstieptas, tādējādi izkliedējot mehāniskos spriegumus, nevis koncentrējot tos atsevišķās vietās, un novēršot asu plaisu veidošanos. Šāda veida plastiskums vairāk atgādina keramikas īpašības nekā tipiskiem stikla izstrādājumiem.

Viens no veidiem, kā palielināt alumīnija oksīda plastiskumu, ir pievienot stikla matricai citus minerālus. Piemēram, alumīnijsilikāta stiklā tiek apvienots 57–60% silīcija dioksīds (SiO₂) ar 16–20% alumīnija oksīdu (Al₂O₃), 5–7% kalcija oksīdu (CaO), 6–12% magnija oksīdu (MgO) un bora trioksīdu (B₂O₃); šis stikla veids ir pazīstams ar savu izturību pret skrāpējumiem mobilajās ierīcēs.

Lai ražotu alumīnija oksīda stiklu, alumīnija oksīda pulverim vispirms jāveic izsmidzināšanas granulēšana ar polivinilspirta saistvielu, lai izveidotu viegli formējamu neapdedzinātu masu. Pēc formēšanas šīs granulas var tālāk apstrādāt un veidot dažādus stikla un keramikas izstrādājumus, izmantojot sausās presēšanas, ekstrūzijas, injekcijas liešanas vai karstās izostātiskās presēšanas metodes.

Ražošana

Kā liecina nosaukums, alumīnija oksīda stikla ražošana sākas ar alumīnija oksīdu (Al₂O₃) jeb, kā to biežāk sauc, “aluminu”. Alumīnija metāla ražotāji iegūst šo minerālu no zemes, pirms to pārstrādā baltajā pulverī, ko izmanto stikla ražošanā. Taču atšķirībā no stikliem uz silīcija bāzes, piemēram, tiem, kas ražoti no silīcija pulveriem, alumīnija oksīdam nav plastiskuma īpašību, kas nepieciešamas noteiktiem pielietojumiem – pētnieki ir ziņojuši, ka tas deformējas tikai specifiskos apstākļos, piemēram, straujas atdzišanas gadījumā vai pakļauts ārkārtīgi lielām slodzēm.

Erkka Frankbergs no Tamperes Tehnoloģiju universitātes Somijā vadīja komandu, kuras mērķis bija pārvarēt šo šķērsli. Lai to panāktu, viņi izmantoja pieeju, kas apvienoja atomāro modelēšanu, eksperimentālos mērījumus un molekulārās dinamikas simulācijas, lai izgatavotu mikroskopiskas alumīnija oksīda plēves, kas ļāva veikt neierobežotu plastisko deformāciju.

Zinātnieki uz stikla lodītēm uzsmidzināja alumīnija oksīda pulveri, pēc tam tās uzkarsēja līdz temperatūrai, kas nedaudz pārsniedza to stikla pārejas temperatūru, bet bija zemāka par kristalizācijas punktu. Pirms veikt analīzes, piemēram, rentgena difrakciju un diferenciālo termisko analīzi, viņi ļāva lodītēm strauji atdzist. Eksperimentos tika konstatēts, ka alumīnija oksīda stikli pirms lūšanas var izstiepties līdz pat 8%, kas ir ievērojami vairāk nekā silīcija tipiskā 2–2% izstiepšanās un 4–40% saspiešanās pirms lūšanas.

Frankberga komanda izpētīja alumīnija oksīda stikla mikrostruktūru. Viņi novēroja, ka tam ir ļoti tīrs, atomāri blīvs molekulu tīkls, kas ļāva viegli mainīt formu, kad uz to iedarbojās spriegums. Savukārt kvarca stiklam atomu struktūrā ir vairāk spraugu, tādējādi ierobežojot tā spēju deformēties.

Zinātnieki izstrādāja alumīnija oksīda stiklu, kurā iekļauti reti sastopamie elementi — volframa un tantala oksīdi, lai panāktu tādas unikālas īpašības kā elektrovadītspēja un izturība pret ķīmisko iedarbību, augsta izturība un ārkārtēja cietība (9 pēc Mosa skalas).

Pētniecības komanda vēl nav izstrādājusi efektīvu procesu komerciālas kvalitātes alumīnija oksīda stikla ražošanai; tomēr tā joprojām ir optimistiska par šā stikla potenciālu. Nākamajos posmos pētnieki plāno padziļināti izpētīt, kāpēc šis stikls darbojas, un pēc tam izmantot iegūtās zināšanas, lai izstrādātu citus stikla veidus ar noderīgām īpašībām.