Sticlă de alumină

Nisipurile de sticlă utilizate pentru fabricarea sticlelor cu conținut ridicat de alumină conțin, de obicei, procente scăzute de magnezie. Acest nisip mineral poate proveni fie din depozite de tip rocă, fie din surse naturale nerafinate, și trebuie să rămână astfel pe tot parcursul producției.

Analiza SEM-EDS a probei de sticlă verde JXL09 a evidențiat incluziuni roșii care conțin cristale de barit, precum și o îmbogățire în Cu, Fe și S, sugerând că aceasta conține materii prime sulfuroase de cupru și fier.

Caracteristici

Sticla de alumină este o sticlă de oxid de aluminiu cu numeroase proprietăți unice care o fac foarte apreciată în aplicații care necesită rezistență, rezistență chimică și termică, transparență optică și conductivitate electrică scăzută. Alumina este utilizată pe scară largă în geamurile avioanelor și ale automobilelor, precum și în dispozitivele de vedere pe timp de noapte și în conurile nasului rachetelor cu detectare a căldurii. În plus, alumina prezintă o conductivitate electrică scăzută, un coeficient de dilatare și duritate (cel mai înalt grad pe scara Mohs).

Siturile arheologice din Asia de Sud au dat numeroase exemple de pahare fabricate cu compoziții bogate în alumină. Analiza compozițională indică faptul că aceste pahare au fost produse după rețete cu o istorie îndelungată în această regiune; cu toate acestea, rămâne necunoscut dacă rețetele lor individuale au provenit de acolo sau au fost adoptate din altă parte într-un grup mai mare de rețete.

Alumina îmbunătățește temperatura de tranziție vitroasă, densitatea și durabilitatea chimică a sticlei soda-lime-silica prin creșterea temperaturii de tranziție vitroasă, a densității și a durabilității sale chimice. Alumina reduce, de asemenea, formarea înnămolirii cu albastru de bor, oprind în același timp oxidarea sa de către particulele de oxid de siliciu. Sticla de alumină oferă numeroase avantaje față de sticlele termoizolante și decorative tradiționale, cum ar fi o rezistență sporită, puncte de topire mai ridicate, niveluri mai scăzute de conductivitate electrică, rate mai scăzute ale coeficientului de dilatare și proprietăți excelente de rezistență la coroziune.

Microstructura sticlei de alumină variază în funcție de nivelul său de calcinare. Probele necalcinate prezintă o rețea de cristale și unele goluri; atunci când sunt încălzite la temperaturi care determină creșterea cristalizării de suprafață mai mult decât sticla convențională; în GS028, de exemplu, oxidul de plumb și staniu grupat poate fi văzut alături de particule de aluminosilicat de sodiu și sodalit; în alte probe cu particule suplimentare care conțin alumină, cristalizarea de suprafață crește dramatic, în timp ce cristalele tind să aibă dimensiuni generale mai mici decât probele de sticlă convențională.

Incluziunile de sulfură de cupru și de oxid de cupru brut găsite în sticla cu conținut de alumină sunt cu adevărat misterioase, sugerând că acestea au fost posibil introduse prin cotopirea cuprului oxidic și sulfidic, deși probabil ar fi fost necesare eforturi lungi și plictisitoare din partea artizanilor pentru a curăța prill-urile mate de pe ele înainte ca incluziunile să poată intra.

Proprietăți

Oxidul de aluminiu (g-Al2O3) care se găsește în sticla de alumină are multe caracteristici unice și avantajoase, inclusiv punctul său de topire ridicat și stabilitatea la temperatură, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații în refractare ceramice, materiale de lustruire și aplicații abrazive. În plus, utilizările industriale ale acestei componente includ utilizarea ca soluții ignifuge/ștergătoare de fum, precum și ca materie primă esențială în producerea atât a aluminei, cât și a multor aliaje speciale.

Microstructura ceramicii VC infiltrate cu sticlă de alumină variază semnificativ de la o probă la alta. În general, acestea tind să fie granulare, cu cristale mici de alumină și granule de feldspat prezente. Cu toate acestea, probele GS028 și GS022 prezintă cristale mai mari care au o formă egală, unele probe prezentând chiar semne de descompunere incompletă a calxului de staniu în cristale cubice de oxid de staniu prezente sub formă de cristale aciculare de oxid de staniu cu plumb care s-au format. Aceste granule sunt apoi înglobate într-o matrice moale de silicat alb compusă din matrice de aluminosilicat de sodiu.

Această matrice prezintă un nivel scăzut de magnezie (1,5 greutate%), ceea ce sugerează că nisipul utilizat pentru fabricarea sticlei a fost obținut din surse minerale, cum ar fi cuarțul sau membrii finali ai feldspaților plagioclasici, precum și alumina; dovezile pentru această ipoteză includ procentul mare de feldspați alcalini găsit în probele sale, precum și cantitățile variabile de plagioclase și cuarț prezente.

Experimentele efectuate cu ajutorul difracției XRD și al difracției neutronice arată că g-Al2O3 prezintă o structură cristalină cu un punct de topire și o stabilitate termică ridicate, împreună cu un vârf ascuțit neobișnuit la 1,52 A-1 care corespunde planurilor pseudo-bragg care se generează de-a lungul unui gol; acest lucru diferă foarte mult de oxizii obișnuiți care formează sticlă, deoarece arată că această rețetă creează sticlărie distinctă din punct de vedere structural.

Rezultatele acestei cercetări demonstrează că ceramica din alumină infiltrată în sticlă a fost fabricată după o rețetă inovatoare și semnificativă din punct de vedere istoric, care diferă semnificativ de rețetele tradiționale de sticlă arheologică în ceea ce privește modificarea acesteia pentru a reduce problemele de tulburare asociate cu sticlele cu conținut ridicat de alumină.

Aplicații

Alumina este un element-cheie în produsele din sticlă antiglonț datorită rezistenței superioare la presiune și durității sale, ceea ce o face un material esențial în ceramica tehnică sau avansată concepută pentru medii extreme, cu cerințe de stabilitate termică, precum și cerințe de rezistență sporită la uzură. Pulberea de alumină poate fi, de asemenea, amestecată cu alte materiale pentru a produce produse unice din sticlă sau ceramică de diferite culori, forme și dimensiuni, precum și adăugată în diferite procese de fabricare a sticlei, cum ar fi procesele de producție a sticlei de aluminosilicat renumite pentru rezistența lor chimică și termică extremă.

Alumina poate fi găsită în numeroase aplicații industriale, de la materiale refractare și ceramică la produse de lustruire și abrazive. Alumina constituie, de asemenea, un ingredient important al produselor ignifuge și antifum, precum și al dispozitivelor medicale și al aplicațiilor auto și aerospațiale. În plus, datorită proprietăților sale de rezistență și de rezistență la coroziune, este adesea combinată cu materiale precum siliciul sau varul pentru proprietăți optime în anumite aplicații.

Cercetătorii efectuează studii pentru a spori ductilitatea aluminei prin crearea acesteia în starea sa inițială, amorfă, mai degrabă decât sub formă cristalină. Investigațiile lor au arătat că această formă permite deformarea la temperatura camerei, în comparație cu ochelarii de oxid monocomponenți care nu prezintă această caracteristică. Cercetările lor sugerează că depunerea cu laser pulsat poate fi utilizată pentru fabricarea acestei forme, în care se formează un film amorf care se răcește rapid după crearea sa.

Răcirea rapidă permite legăturilor moleculare să se relaxeze și să se reformeze atunci când sunt întinse, dispersând tensiunile mecanice mai degrabă decât concentrându-le în puncte, evitând astfel apariția fisurilor ascuțite. Acest tip de ductilitate seamănă mai degrabă cu cea a ceramicii decât cu cea a produselor tipice din sticlă.

O modalitate de a crește ductilitatea aluminei este adăugarea altor minerale în matricea de sticlă. Sticla aluminosilicată, de exemplu, combină 57-60% silice (SiO2) cu 16-20% oxid de aluminiu (Al2O3), 5-7% oxid de calciu (CaO), 6-12% oxid de magneziu (MgO) și trioxid de bor (B2O3); acest tip este cunoscut pentru rezistența la zgârieturi a dispozitivelor mobile.

Pentru a produce sticlă de alumină, pulberea de alumină trebuie mai întâi granulată prin pulverizare cu liant de alcool polivinilic pentru a forma un corp verde ușor de modelat. Odată formate, aceste granule pot fi ulterior prelucrate și modelate în diverse produse din sticlă și ceramică prin tehnici de presare uscată, extrudare, turnare prin injecție sau presare izostatică la cald.

Producție

După cum sugerează și numele său, sticla de alumină începe cu oxidul de aluminiu (Al2O3) sau mai frecvent denumit "alumină". Producătorii de aluminiu metalic extrag acest mineral de pe Pământ înainte de a-l transforma în pulbere albă utilizată la fabricarea sticlei. Dar, spre deosebire de sticlele pe bază de siliciu, cum ar fi cele produse cu pulberi de siliciu, alumina nu posedă proprietățile de ductilitate necesare pentru anumite aplicații - cercetătorii au raportat că aceasta se deformează doar în condiții specifice, cum ar fi ratele de răcire rapidă sau atunci când este expusă la sarcini extreme.

Erkka Frankberg de la Universitatea de Tehnologie Tampere din Finlanda a condus o echipă care și-a propus să depășească această barieră. Pentru a face acest lucru, ei au utilizat o abordare constând în modelare atomistică, măsurători experimentale și simulări de dinamică moleculară pentru a produce filme microscopice de alumină care să permită deformarea plastică nelimitată.

Oamenii de știință au pulverizat pulbere de alumină pe bile de sticlă, apoi le-au încălzit la temperaturi puțin peste temperatura de tranziție vitroasă, dar sub punctul de cristalizare. Ei au lăsat bilele să se răcească rapid înainte de a efectua analize precum difracția de raze X și analiza termică diferențială asupra lor. Experimentele lor au arătat că sticla de alumină se poate întinde cu până la 8% înainte de a se sparge, ceea ce este semnificativ mai mare decât întinderea tipică a siliciului de 2-2% și compresia de 4-40% înainte de spargere.

Echipa lui Frankberg a examinat microstructura sticlei de alumină. Ei au observat că rețeaua sa de molecule este extrem de lipsită de defecte, apropiată din punct de vedere atomic, ceea ce a permis o comutare ușoară atunci când a fost supusă la stres. Dimpotrivă, sticla de siliciu are mai multe lacune în structura sa atomică, limitându-i astfel capacitatea de deformare.

Oamenii de știință au proiectat sticlă de alumină cu oxizi de tungsten și tantal pentru a obține proprietăți unice, cum ar fi conductivitatea electrică și rezistența la atacuri chimice, rezistență ridicată și duritate extremă (9 pe scara Mohs).

Echipa de cercetare nu a dezvoltat încă un proces eficient de producere a sticlei de alumină de calitate comercială; cu toate acestea, ei rămân optimiști în ceea ce privește potențialul acesteia. Următorii pași constau în studierea mai amănunțită a cauzelor care determină funcționarea acestui proces înainte de a aplica ceea ce știu pentru a dezvolta alte tipuri de sticlă cu proprietăți utile.