Vidro de alumina

As areias de vidro utilizadas no fabrico de vidros com elevado teor de alumina contêm normalmente baixas percentagens de magnésia. Esta areia mineral pode ser proveniente de depósitos de tipo rochoso ou de fontes naturais não refinadas, e deve permanecer como tal durante toda a produção.

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

Características

O vidro de alumina é um vidro de óxido de alumínio com numerosas propriedades únicas que o tornam altamente valorizado em aplicações que requerem força, resistência química e térmica, transparência ótica e baixa condutividade eléctrica. A alumina é amplamente utilizada em janelas de aviões e de automóveis, bem como em dispositivos de visão nocturna e em cones de nariz de mísseis de busca de calor. Além disso, a alumina apresenta baixa condutividade eléctrica, coeficiente de expansão e dureza (a classificação mais elevada na escala de Mohs).

Os sítios arqueológicos do Sul da Ásia revelaram numerosos exemplos de vidros fabricados com composições ricas em alumina. A análise da composição indica que estes vidros foram produzidos de acordo com receitas com uma longa história nesta região; no entanto, continua a desconhecer-se se as suas receitas individuais tiveram origem nesta região ou se foram adoptadas de outro local num 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 sua temperatura de transição vítrea, a densidade e a durabilidade química. A alumina também diminui a formação de turvação azul de boro, impedindo a sua oxidação por partículas de óxido de sílica. O vidro de alumina oferece muitas vantagens em relação aos vidros tradicionais de isolamento e decorativos, tais como maior resistência, pontos de fusão mais elevados, níveis de condutividade eléctrica mais baixos, taxas de coeficiente de expansão mais baixas e excelentes propriedades de resistência à corrosão.

A microestrutura do vidro de alumina varia consoante o 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 mais do que o vidro convencional; no GS028, por exemplo, podem ser observados aglomerados de óxido de estanho e chumbo juntamente com aluminossilicato de sódio e partículas de sodalite; noutras amostras com partículas adicionais contendo alumina, a cristalização da superfície aumenta drasticamente, enquanto os cristais tendem a ter dimensões mais pequenas do que as amostras de vidro convencional.

As inclusões de sulfureto de cobre e de óxido de cobre em bruto encontradas em vidros que contêm alumina são verdadeiramente misteriosas, sugerindo que foram possivelmente introduzidas através da co-fusão de cobre oxídico e sulfídico, embora fosse provavelmente necessário um esforço longo e fastidioso por parte dos artesãos para limpar as impurezas mate antes que as inclusões pudessem ter entrado.

Propriedades

O óxido de alumínio (g-Al2O3) encontrado no vidro de alumina tem muitas características únicas e vantajosas, incluindo o seu elevado ponto de fusão e estabilidade de temperatura, tornando-o adequado para aplicações em refractários cerâmicos, materiais de polimento e aplicações abrasivas. Para além disso, as utilizações industriais deste componente incluem a utilização como retardador de fogo/soluções supressoras de fumo, bem como o facto de ser uma matéria-prima essencial na produção de alumina e de muitas ligas especiais.

A microestrutura das cerâmicas VC infiltradas com vidro de alumina varia significativamente entre as amostras. Em geral, tendem a ser granulares com pequenos cristais de alumina e grãos de feldspato presentes. No entanto, as amostras GS028 e GS022 apresentam cristais maiores que têm uma forma igual, com algumas amostras a mostrarem mesmo sinais de decomposição incompleta do calx de estanho em cristais cúbicos de óxido de estanho presentes como cristais aciculares de óxido de estanho de chumbo que se formaram. Estes grãos são então encerrados numa matriz de silicato branco macio composto por matriz de aluminossilicato de sódio.

Esta matriz apresenta um baixo nível de magnésia (1,5 peso%), o que sugere que a areia utilizada para o fabrico de vidro foi obtida a partir de fontes minerais como o quartzo ou plagioclásios de extremidades de feldspato, bem como de alumina; a evidência desta hipótese inclui a grande percentagem de feldspatos alcalinos encontrados nas suas amostras, bem como quantidades variáveis de plagioclásios e quartzo presentes.

As experiências realizadas com XRD e difração de neutrões revelam que o g-Al2O3 apresenta uma estrutura cristalina com elevado ponto de fusão e estabilidade térmica, juntamente com um pico agudo invulgar a 1,52 A-1 que corresponde a planos pseudo-bragg gerados ao longo de um vazio; isto difere muito dos óxidos formadores de vidro comuns, uma vez que mostra que esta receita cria artigos de vidro estruturalmente distintos.

Os resultados desta investigação 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 da sua modificação para reduzir os problemas de turvação associados aos vidros com elevado teor de alumina.

Aplicações

A alumina é um elemento-chave nos produtos de vidro à prova de bala devido à sua resistência superior à pressão e dureza, tornando-a um material essencial em cerâmicas técnicas ou avançadas concebidas para ambientes extremos, com requisitos de estabilidade térmica, bem como requisitos de resistência ao desgaste melhorados. O pó de alumina também pode ser misturado com outros materiais para produzir produtos únicos de vidro ou cerâmica de várias cores, formas e tamanhos, bem como adicionado a vários processos de fabrico de vidro, como os processos de produção de vidro de aluminossilicato, conhecidos pela sua extrema resistência química e térmica.

A alumina pode ser encontrada em inúmeras aplicações industriais, desde refractários e cerâmicas a produtos de polimento e abrasivos. A alumina é também um importante ingrediente de retardadores de fogo e supressores de fumo, bem como de dispositivos médicos, aplicações automóveis e aeroespaciais. Além disso, devido às suas propriedades de força e resistência à corrosão, é frequentemente combinada com materiais como a sílica ou a cal para obter propriedades óptimas em determinadas aplicações.

Os investigadores estão a realizar estudos para aumentar a ductilidade da alumina, criando-a no seu estado original, amorfo, em vez da forma cristalina. As suas investigações revelaram que esta forma permite a deformação à temperatura ambiente, em comparação com os vidros de óxido de componente único que não apresentam esta caraterística. A investigação sugere que a deposição por laser pulsado pode ser utilizada para fabricar esta forma, em que uma película amorfa é formada antes de arrefecer rapidamente após a sua criação.

O arrefecimento rápido permite que as ligações moleculares relaxem e se reformulem quando esticadas, dispersando as tensões mecânicas em vez de as concentrar em pontos concentrados, evitando assim o aparecimento de fissuras acentuadas. Este tipo de ductilidade assemelha-se mais à da cerâmica do que à dos produtos de vidro típicos.

Uma forma 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); este tipo é conhecido por ser resistente a riscos em dispositivos móveis.

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

Produção

Como o seu nome indica, o vidro de alumina começa com óxido de alumínio (Al2O3) ou mais comummente referido como "alumina". Os produtores de alumínio metálico extraem este mineral da Terra antes de o transformarem em pó branco utilizado no fabrico de vidro. Mas, ao contrário 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 - os investigadores relataram que só se deforma em condições específicas, como taxas de arrefecimento rápidas ou quando exposta a cargas extremas.

Erkka Frankberg, da Universidade de Tecnologia de Tampere, na Finlândia, liderou uma equipa que pretendia ultrapassar esta barreira. Para tal, utilizaram uma abordagem que consistia em modelação atomística, medições experimentais e simulações de dinâmica molecular, a fim de produzir películas microscópicas de alumina que permitissem uma deformação plástica sem restrições.

Os cientistas pulverizaram pó de alumina em esferas de vidro e depois aqueceram-nas a temperaturas ligeiramente superiores à sua temperatura de transição vítrea, mas abaixo do ponto de cristalização. Deixaram que as esferas arrefecessem rapidamente antes de efectuarem análises como a difração de raios X e a análise térmica diferencial. As suas experiências 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 equipa de Frankberg examinou a microestrutura do vidro de alumina. Observaram que a sua rede de moléculas, atomicamente próxima e sem defeitos, permite uma fácil mudança quando sujeita a tensão. Pelo contrário, o vidro de sílica tem mais lacunas na sua estrutura atómica, restringindo assim a sua capacidade de se deformar.

Os cientistas conceberam o vidro de alumina com óxidos de tungsténio e tântalo de elementos raros para produzir propriedades únicas, como a condutividade eléctrica e a resistência ao ataque químico, alta resistência e dureza extrema (escala de 9 Mohs).

A equipa de investigação ainda não desenvolveu um processo eficiente para produzir vidro de alumina de qualidade comercial; no entanto, continua otimista quanto ao seu potencial. Os próximos passos consistem em estudar melhor as causas do seu funcionamento, antes de aplicar o que sabem para desenvolver outros tipos de vidro com propriedades úteis.