Alumina Glass

Glassand som brukes til å produsere glass med høyt aluminainnhold, inneholder vanligvis lave prosentandeler magnesia. Mineralsanden kan komme fra enten bergartsforekomster eller uraffinerte naturlige kilder, og må forbli slik under hele produksjonen.

SEM-EDS-analyse av den grønne glassprøven JXL09 avslørte røde inneslutninger som inneholdt baryttkrystaller samt anrikning av Cu, Fe og S, noe som tyder på at den inneholder sulfidholdige råmaterialer av kobber og jern.

Kjennetegn

Aluminiumoksidglass er et aluminiumoksidglass med en rekke unike egenskaper som gjør det svært verdifullt i bruksområder som krever styrke, kjemisk og termisk motstand, optisk gjennomsiktighet og lav elektrisk ledningsevne. Alumina brukes i stor utstrekning i flyvinduer og bilvinduer samt i nattsynsutstyr og varmesøkende rakettnesekegler. Alumina har dessuten lav elektrisk ledningsevne, utvidelseskoeffisient og hardhet (den høyeste klassifiseringen på Mohs-skalaen).

Arkeologiske funnsteder i Sør-Asia har gitt oss en rekke eksempler på glass med en sammensetning som er rik på aluminiumoksid. Sammensetningsanalyser tyder på at disse glassene ble produsert etter oppskrifter med lang historie i denne regionen, men det er fortsatt ukjent om de individuelle oppskriftene stammer derfra eller om de ble adoptert fra andre steder i en større gruppe av oppskrifter.

Alumina forbedrer glassovergangstemperaturen, tettheten og den kjemiske holdbarheten til soda-kalk-silikaglass ved å øke glassovergangstemperaturen, tettheten og den kjemiske holdbarheten. Alumina reduserer også dannelsen av borblått, samtidig som det hindrer oksidasjon av silikaoksidpartikler. Alumina-glass har mange fordeler sammenlignet med tradisjonelle isolasjons- og dekorasjonsglass, som økt styrke, høyere smeltepunkt, lavere elektrisk ledningsevne, lavere ekspansjonskoeffisient og utmerkede korrosjonsbestandige egenskaper.

Mikrostrukturen i aluminiumoksidglass varierer med kalsineringsgraden. Ukalsinerte prøver har et nettverk av krystaller og noen hulrom; når de varmes opp til temperaturer som fører til at overflatekrystalliseringen øker mer enn i konvensjonelt glass, for eksempel i GS028, kan man se klynger av blytinnoksid sammen med natriumaluminosilikat og sodalittpartikler; i andre prøver med ekstra aluminaholdige partikler øker overflatekrystalliseringen dramatisk, mens krystallene har en tendens til å ha mindre dimensjoner enn i konvensjonelle glassprøver totalt sett.

Kobbersulfid og rå kobberoksidinneslutninger i aluminiumoksidholdig glass er i sannhet mystiske, og tyder på at de muligens ble introdusert gjennom samsmelting av oksidisk og sulfidisk kobber, selv om det sannsynligvis ville ha krevd lang og møysommelig innsats fra håndverkerne for å rense bort matte priller fra dem før inneslutningene kunne ha kommet inn.

Egenskaper

Aluminiumoksid (g-Al2O3) som finnes i aluminiumoksidglass, har mange unike og fordelaktige egenskaper, blant annet høyt smeltepunkt og temperaturstabilitet, noe som gjør det egnet til bruk i keramiske ildfaste materialer, poleringsmaterialer og slipemidler. I tillegg brukes denne komponenten i industrien blant annet som brannhemmende/røykdempende middel, og den er et viktig råmateriale i produksjonen av både aluminiumoksid og mange spesiallegeringer.

Mikrostrukturen i alumina-glassinfiltrert VC-keramikk varierer betydelig fra prøve til prøve. Generelt har de en tendens til å være kornformede med små aluminakrystaller og feltspatkorn. Prøvene GS028 og GS022 har imidlertid større krystaller som har lik form, og noen av prøvene viser til og med tegn på ufullstendig nedbrytning av tinnkalks til kubiske tinnoksidkrystaller som er til stede i form av akikulære blytinnoksidkrystaller som har dannet seg. Disse kornene er så innesluttet i en myk, hvit silikatmatrise som består av natriumaluminosilikatmatrise.

Denne matrisen har et lavt magnesianivå (1,5 vekt%), noe som tyder på at sanden som ble brukt til glassproduksjon, ble hentet fra mineralkilder som kvarts eller plagioklas i enden av feltspat i tillegg til aluminiumoksid; bevis for denne hypotesen inkluderer den store andelen alkalifeltspat som finnes i prøvene, samt varierende mengder plagioklas og kvarts.

Eksperimenter utført ved hjelp av XRD og nøytrondiffraksjon avslører at g-Al2O3 har en krystallinsk struktur med høyt smeltepunkt og temperaturstabilitet, sammen med en uvanlig skarp topp ved 1,52 A-1 som tilsvarer pseudo-bragg-plan som genereres langs et tomrom; dette skiller seg sterkt fra vanlige glassdannende oksider, da det viser at denne oppskriften skaper strukturelt distinkte glassvarer.

Resultatene av denne forskningen viser at glassinfiltrert aluminiumoksidkeramikk ble produsert etter en innovativ og historisk viktig oppskrift, som skilte seg vesentlig fra tradisjonelle arkeologiske glassoppskrifter ved at den ble modifisert for å redusere problemer med uklarhet forbundet med glass med høyt innhold av aluminiumoksid.

Bruksområder

Aluminiumoksid er et nøkkelelement i skuddsikre glassprodukter på grunn av sin overlegne trykkmotstand og hardhet, noe som gjør det til et viktig materiale i teknisk eller avansert keramikk designet for ekstreme miljøer, med krav til termisk stabilitet og økt slitestyrke. Aluminiumoksidpulver kan også blandes med andre materialer for å produsere unike glass- eller keramikkprodukter i ulike farger, former og størrelser, og det kan tilsettes i ulike glassprosesser, for eksempel i produksjonsprosesser for aluminosilikatglass, som er kjent for sin ekstreme kjemiske og varmebestandighet.

Alumina finnes i en rekke industrielle anvendelser, fra ildfaste materialer og keramikk til polerings- og slipeprodukter. Aluminiumoksid er også en viktig ingrediens i brannhemmere og røykdempende midler, samt i medisinsk utstyr, bil- og romfartsindustrien. På grunn av sin styrke og korrosjonsbestandighet kombineres det ofte med materialer som silika eller kalk for å oppnå optimale egenskaper i visse bruksområder.

Forskerne gjennomfører studier for å forbedre duktiliteten til aluminiumoksid ved å skape det i sin opprinnelige, amorfe tilstand i stedet for i krystallform. Undersøkelsene deres avslørte at denne formen tillater deformasjon ved romtemperatur, sammenlignet med enkomponent oksidglass som ikke har denne egenskapen. Forskningen deres tyder på at pulserende laserdeponering kan brukes til å fremstille denne formen, der en amorf film dannes før den raskt avkjøles etter at den er skapt.

Rask nedkjøling gjør at molekylære bindinger slapper av og reformeres når de strekkes, noe som sprer mekaniske påkjenninger i stedet for å konsentrere dem på konsentrerte steder, slik at skarpe sprekker unngås. Denne typen duktilitet ligner mer på keramikk enn på typiske glassprodukter.

En måte å øke aluminas duktilitet på er å tilsette andre mineraler i glassmatrisen. Aluminosilikatglass, for eksempel, kombinerer 57-60% silika (SiO2) med 16-20% aluminiumoksid (Al2O3), 5-7% kalsiumoksid (CaO), 6-12% magnesiumoksid (MgO) og bortrioksid (B2O3). Denne typen er kjent for å være ripebestandig på mobile enheter.

For å produsere aluminiumoksidglass må aluminiumoksidpulveret først sprøytegranuleres med polyvinylalkohol som bindemiddel for å danne en lett formbar grønn kropp. Når granulatet er formet, kan det bearbeides videre og formes til ulike glass- og keramikkprodukter ved hjelp av tørrpressing, ekstrudering, sprøytestøping eller varm isostatisk pressing.

Produksjon

Som navnet tilsier, begynner aluminiumoksidglass med aluminiumoksid (Al2O3), eller mer kjent som "alumina". Aluminiummetallprodusenter utvinner dette mineralet fra jorden før det bearbeides til hvitt pulver som brukes til å lage glass. Men i motsetning til silikabaserte glass, som de som produseres med silikapulver, har ikke aluminiumoksid de duktilitetsegenskapene som er nødvendige for visse bruksområder - forskere har rapportert at det bare deformeres under spesifikke forhold, for eksempel ved rask avkjøling eller når det utsettes for ekstreme belastninger.

Erkka Frankberg ved Tampere University of Technology i Finland ledet et team som tok sikte på å overvinne denne barrieren. For å gjøre dette brukte de en tilnærming bestående av atomistisk modellering, eksperimentelle målinger og molekyldynamikksimuleringer for å produsere mikroskopiske filmer av aluminiumoksid som tillot ubegrenset plastisk deformasjon.

Forskerne sprayet aluminiumoksidpulver på glassperler, og varmet dem deretter opp til temperaturer rett over glassovergangstemperaturen, men under krystalliseringspunktet. Deretter lot de perlene kjøle seg raskt ned før de utførte analyser som røntgendiffraksjon og differensiell termisk analyse på dem. Eksperimentene viste at aluminiumoksidglass kunne strekke seg med opptil 8% før det gikk i stykker, noe som er betydelig større enn silikas typiske strekk på 2-2% og kompresjon på 4- 40% før det går i stykker.

Frankbergs team undersøkte mikrostrukturen i aluminiumoksidglass. De observerte et svært defektfritt, atomært tett nettverk av molekyler, noe som gjør det enkelt å skifte når det utsettes for stress. Silikaglass har derimot flere hull i atomstrukturen, noe som begrenser dets evne til å deformeres.

Forskerne har utviklet aluminiumoksidglass med sjeldne wolfram- og tantaloksider for å oppnå unike egenskaper som elektrisk ledningsevne og motstand mot kjemiske angrep, høy styrke og ekstrem hardhet (9 Mohs-skalaen).

Forskerteamet har ennå ikke utviklet en effektiv prosess for å produsere aluminaglass av kommersiell kvalitet, men de er likevel optimistiske med tanke på potensialet. De neste stegene innebærer å studere nærmere hva som får det til å fungere, før de bruker det de vet til å utvikle andre typer glass med nyttige egenskaper.