Vidro de alumina

As areias de vidro usadas na fabricação de vidros com alto teor de alumina normalmente contêm baixas porcentagens de magnésia. Essa areia mineral pode ser proveniente de depósitos do tipo rocha ou de fontes naturais não refinadas, e deve permanecer assim durante toda a produção.

A análise SEM-EDS da amostra de vidro verde JXL09 revelou inclusões vermelhas contendo cristais de barita, bem como enriquecimento de Cu, Fe e S, sugerindo que ela contém matérias-primas sulfídicas de cobre-ferro.

Características

O vidro de alumina é um vidro de óxido de alumínio com inúmeras propriedades exclusivas que o tornam altamente valorizado em aplicações que exigem força, resistência química e térmica, transparência óptica e baixa condutividade elétrica. A alumina é muito usada em janelas de aeronaves e de automóveis, bem como em dispositivos de visão noturna e cones de nariz de mísseis de busca de calor. Além disso, a alumina apresenta baixa condutividade elétrica, coeficiente de expansão e dureza (a mais alta classificação na escala de Mohs).

Sítios arqueológicos em todo o sul da Ásia produziram vários exemplos de vidros feitos com composições ricas em alumina. A análise da composição indica que esses vidros foram produzidos seguindo receitas com longas histórias nessa região; no entanto, ainda não se sabe se suas receitas individuais tiveram origem nessa região ou se foram adotadas de outro lugar em um grupo maior de receitas.

A alumina melhora a temperatura de transição vítrea, a densidade e a durabilidade química do vidro de soda-cal-sílica, aumentando a temperatura de transição vítrea, a densidade e a durabilidade química. A alumina também diminui a formação de turvação de azul de boro e impede sua oxidação por partículas de óxido de sílica. O vidro de alumina oferece muitas vantagens em relação aos vidros decorativos e de isolamento tradicionais, como maior resistência, pontos de fusão mais altos, níveis mais baixos de condutividade elétrica, coeficiente mais baixo de taxas de expansão e excelentes propriedades de resistência à corrosão.

A microestrutura do vidro de alumina varia de acordo com seu nível de calcinação. As amostras não calcinadas exibem uma rede de cristais e alguns vazios; quando aquecidas a temperaturas que fazem com que a cristalização da superfície aumente ainda mais do que o vidro convencional; no GS028, por exemplo, o óxido de chumbo e estanho agrupado pode ser visto ao lado de partículas de sodalita e aluminossilicato de sódio; em outras amostras com partículas adicionais contendo alumina, a cristalização da superfície aumenta drasticamente, enquanto os cristais tendem a ter dimensões menores do que as amostras de vidro convencional.

As inclusões de sulfeto de cobre e óxido de cobre bruto encontradas em vidros contendo alumina são realmente misteriosas, sugerindo que possivelmente foram introduzidas por meio da co-fusão de cobre oxídico e sulfídico, embora provavelmente tenha sido necessário um esforço longo e tedioso dos artesãos para limpar as impurezas foscas antes que as inclusões pudessem entrar.

Propriedades

O óxido de alumínio (g-Al2O3) encontrado no vidro de alumina tem muitas características exclusivas e vantajosas, incluindo seu alto ponto de fusão e estabilidade de temperatura, o que o torna adequado para aplicações em refratários de cerâmica, materiais de polimento e aplicações abrasivas. Além disso, os usos industriais desse componente incluem o uso como retardante de fogo/soluções supressoras de fumaça, além de ser uma matéria-prima essencial na produção de alumina e de muitas ligas especiais.

A microestrutura da cerâmica VC infiltrada com vidro de alumina varia significativamente entre as amostras. Em geral, elas tendem a ser granulares com pequenos cristais de alumina e grãos de feldspato presentes. No entanto, as amostras GS028 e GS022 apresentam cristais maiores com formato igual, com algumas amostras mostrando até mesmo sinais de decomposição incompleta do calx de estanho em cristais cúbicos de óxido de estanho presentes como cristais de óxido de estanho de chumbo acicular que se formaram. Esses grãos são então encerrados em uma matriz de silicato branco macio composta de matriz de aluminossilicato de sódio.

Essa matriz apresenta um baixo nível de magnésia (1,5 peso%), sugerindo que a areia usada para a fabricação de vidro foi obtida de fontes minerais, como quartzo ou plagioclásio de extremidades de feldspato, bem como alumina; a evidência dessa hipótese inclui a grande porcentagem de feldspatos alcalinos encontrados em suas amostras, bem como quantidades variáveis de plagioclásio e quartzo presentes.

Os experimentos realizados com XRD e difração de nêutrons revelam que o g-Al2O3 exibe uma estrutura cristalina com alto ponto de fusão e estabilidade de temperatura, juntamente com um pico agudo incomum de 1,52 A-1 que corresponde a planos pseudo-bragg gerados ao longo de um vazio; isso difere muito dos óxidos formadores de vidro comuns, pois mostra que essa receita cria vidros estruturalmente distintos.

Os resultados desta pesquisa demonstram que a cerâmica de alumina infiltrada em vidro foi fabricada seguindo uma receita inovadora e historicamente significativa, que diferia significativamente das receitas tradicionais de vidro arqueológico em termos de sua modificação para reduzir os problemas de turvação associados a vidros com alto teor de alumina.

Aplicativos

A alumina é um elemento fundamental em produtos de vidro à prova de balas devido à sua resistência superior à pressão e dureza, o que a torna um material essencial em cerâmicas técnicas ou avançadas projetadas para ambientes extremos, com requisitos de estabilidade térmica e resistência ao desgaste aprimorada. O pó de alumina também pode ser misturado com outros materiais para produzir produtos exclusivos de vidro ou cerâmica de várias cores, formas e tamanhos, além de ser adicionado a vários processos de fabricação de vidro, como os processos de produção de vidro de aluminossilicato, conhecidos por sua extrema resistência química e ao calor.

A alumina pode ser encontrada em diversas aplicações industriais, desde refratários e cerâmicas até produtos de polimento e abrasivos. A alumina também é um importante ingrediente de retardantes de fogo e supressores de fumaça, além de dispositivos médicos e aplicações automotivas e aeroespaciais. Além disso, devido às suas propriedades de força e resistência à corrosão, ela é frequentemente combinada com materiais como sílica ou cal para obter propriedades ideais em determinadas aplicações.

Os pesquisadores estão realizando estudos para aumentar a ductilidade da alumina, criando-a em seu estado original, amorfo, em vez da forma cristalina. Suas investigações revelaram que essa forma permite a deformação em temperatura ambiente, em comparação com vidros de óxido de componente único que não apresentam essa característica. A pesquisa sugere que a deposição de laser pulsado pode ser usada para fabricar essa forma, em que um filme amorfo é formado antes de esfriar rapidamente após sua criação.

O resfriamento rápido permite que as ligações moleculares relaxem e se reformulem quando esticadas, dispersando as tensões mecânicas em vez de concentrá-las em pontos específicos, evitando, assim, o surgimento de rachaduras acentuadas. Esse tipo de ductilidade se assemelha à da cerâmica, em vez dos produtos de vidro típicos.

Uma maneira de aumentar a ductilidade da alumina é adicionar outros minerais à matriz do vidro. O vidro de aluminossilicato, por exemplo, combina 57-60% de sílica (SiO2) com 16-20% de óxido de alumínio (Al2O3), 5-7% de óxido de cálcio (CaO), 6-12% de óxido de magnésio (MgO) e trióxido de boro (B2O3); esse tipo é conhecido por ser resistente a arranhões em dispositivos móveis.

Para produzir vidro de alumina, o pó de alumina deve primeiro ser granulado por pulverização com aglutinante de álcool polivinílico para formar um corpo verde facilmente moldável. Depois de formados, esses grânulos podem ser processados e moldados em vários produtos de vidro e cerâmica usando técnicas de prensagem a seco, extrusão, fundição por injeção ou prensagem isostática a quente.

Produção

Como o próprio nome indica, o vidro de alumina começa com óxido de alumínio (Al2O3) ou mais comumente chamado de "alumina". Os produtores de alumínio metálico extraem esse mineral da Terra antes de transformá-lo em pó branco usado na fabricação de vidro. Mas, diferentemente dos vidros à base de sílica, como os produzidos com pós de sílica, a alumina não possui as propriedades de ductilidade necessárias para determinadas aplicações - pesquisadores relataram que ela só se deforma em condições específicas, como taxas de resfriamento rápido ou quando exposta a cargas extremas.

Erkka Frankberg, da Universidade de Tecnologia de Tampere, na Finlândia, liderou uma equipe que tinha como objetivo superar essa barreira. Para isso, eles utilizaram uma abordagem que consistia em modelagem atomística, medições experimentais e simulações de dinâmica molecular para produzir filmes microscópicos de alumina que permitiam a deformação plástica irrestrita.

Os cientistas pulverizaram pó de alumina em esferas de vidro e, em seguida, aqueceram-nas a temperaturas um pouco acima da temperatura de transição vítrea, mas abaixo do ponto de cristalização. Eles permitiram que as esferas esfriassem rapidamente antes de realizar análises, como difração de raios X e análise térmica diferencial. Seus experimentos revelaram que os vidros de alumina podiam esticar até 8% antes de quebrar, o que é significativamente maior do que o estiramento típico da sílica de 2-2% e a compressão de 4-40% antes de quebrar.

A equipe de Frankberg examinou a microestrutura do vidro de alumina. Eles observaram sua rede de moléculas altamente livre de defeitos e atomicamente próxima, o que permitiu a troca fácil quando submetido a estresse. Por outro lado, o vidro de sílica tem mais lacunas em sua estrutura atômica, restringindo assim sua capacidade de deformação.

Os cientistas projetaram o vidro de alumina com óxidos de tungstênio e tântalo de elementos raros para produzir propriedades exclusivas, como condutividade elétrica e resistência a ataques químicos, alta resistência e dureza extrema (escala de 9 Mohs).

A equipe de pesquisa ainda não desenvolveu um processo eficiente para produzir vidro de alumina de grau comercial; no entanto, eles continuam otimistas quanto ao seu potencial. Suas próximas etapas envolvem estudar mais a fundo o que faz com que ele funcione antes de aplicar o que sabem para desenvolver outros tipos de vidro com propriedades úteis.