Steklo iz aluminijevega oksida

Stekleni peski, ki se uporabljajo za proizvodnjo stekel z visoko vsebnostjo aluminijevega oksida, običajno vsebujejo nizke odstotke magnezija. Ta mineralni pesek lahko izvira iz kamnitih nahajališč ali nerafiniranih naravnih virov in mora takšen ostati ves čas proizvodnje.

Analiza SEM-EDS vzorca zelenega stekla JXL09 je pokazala rdeče vključke, ki vsebujejo kristale barita, ter obogatitev s Cu, Fe in S, kar kaže na to, da vsebuje sulfidne bakreno-železne surovine.

Značilnosti

Aluminijevo steklo je steklo iz aluminijevega oksida s številnimi edinstvenimi lastnostmi, zaradi katerih je zelo cenjeno v aplikacijah, ki zahtevajo trdnost, kemično in toplotno odpornost, optično preglednost in nizko električno prevodnost. Aluminijev oksid se pogosto uporablja v letalskih in avtomobilskih steklih ter v napravah za nočno gledanje in toplotno usmerjenih konicah izstrelkov. Poleg tega se aluminijev oksid ponaša z nizko električno prevodnostjo, koeficientom raztezanja in trdoto (najvišja ocena po Mohsovi lestvici).

Na arheoloških najdiščih po vsej južni Aziji so našli številne primere stekel, izdelanih iz stekel, bogatih z aluminijevim oksidom. Analiza sestave kaže, da so bila ta stekla izdelana po receptih, ki imajo v tej regiji dolgo zgodovino; vendar še vedno ni znano, ali so posamezni recepti izhajali od tam ali pa so bili sprejeti od drugod iz večje skupine receptov.

Aluminij izboljša temperaturo steklastega prehoda, gostoto in kemijsko obstojnost natrijevega stekla s povečanjem temperature steklastega prehoda, gostote in kemijske obstojnosti. Aluminijev oksid prav tako zavira nastajanje borovega modrega oblaka, hkrati pa ustavi njegovo oksidacijo z delci silicijevega oksida. Steklo iz aluminijevega oksida ima v primerjavi s tradicionalnimi izolacijskimi in dekorativnimi stekli številne prednosti, kot so večja trdnost, višje temperature taljenja, nižje ravni električne prevodnosti, nižje stopnje koeficienta raztezanja in odlične lastnosti odpornosti proti koroziji.

Mikrostruktura aluminijevega stekla se spreminja glede na stopnjo kalcinacije. Nekalcinirani vzorci imajo mrežo kristalov in nekaj praznin; pri segrevanju na temperature, ki povzročijo, da se površinska kristalizacija poveča bolj kot pri običajnem steklu; v vzorcu GS028 je na primer poleg delcev natrijevega aluminosilikata in sodalita mogoče opaziti skupke svinčevo-kositrovega oksida; v drugih vzorcih z dodatnimi delci, ki vsebujejo aluminijev oksid, se površinska kristalizacija močno poveča, kristali pa so na splošno manjši kot pri običajnih vzorcih stekla.

Vključki bakrovega sulfida in surovega bakrovega oksida, najdeni v steklu, ki vsebuje aluminijev oksid, so resnično skrivnostni, saj se domneva, da so bili morda vneseni s taljenjem oksidnega in sulfidnega bakra, čeprav bi se morali obrtniki verjetno dolgo in zamudno truditi, da bi z njih očistili matirane primesi, preden bi lahko vnesli vključke.

Lastnosti

Aluminijev oksid (g-Al2O3), ki ga najdemo v aluminijevem steklu, ima številne edinstvene in ugodne lastnosti, vključno z visokim tališčem in temperaturno stabilnostjo, zaradi česar je primeren za uporabo v keramičnih ognjevzdržnih materialih, materialih za poliranje in abrazivnih materialih. Poleg tega se ta komponenta uporablja v industriji kot zaviralec ognja/raztopina za dušenje dima ter kot osnovna surovina pri proizvodnji aluminijevega oksida in številnih posebnih zlitin.

Mikrostruktura keramike VC, infiltrirane z aluminijevim steklom, se med vzorci zelo razlikuje. Na splošno so običajno zrnate, z majhnimi kristali aluminijevega oksida in zrnci skalnjaka. Vendar so v vzorcih GS028 in GS022 prisotni večji kristali, ki imajo enako obliko, pri čemer so v nekaterih vzorcih vidni celo znaki nepopolne razgradnje kositrovega kalksa v kubične kristale kositrovega oksida, ki so prisotni kot acikularni kristali svinčevega kositrovega oksida, ki so nastali. Ta zrna so nato zaprta v mehki beli silikatni matrici, sestavljeni iz natrijevega aluminosilikatnega matriksa.

Ta matrica ima nizko stopnjo magnezija (1,5 uteži%), kar kaže na to, da je bil pesek, uporabljen za izdelavo stekla, pridobljen iz mineralnih virov, kot so kremen ali plagioklazi končni členi skalenoedrskih končnih členov ter aluminijev oksid; dokaz za to hipotezo je velik odstotek alkalnih skalenoedrov, najden v njenih vzorcih, ter spremenljive količine plagioklaza in kremena, ki so prisotni.

Poskusi, opravljeni z uporabo XRD in nevtronske difrakcije, kažejo, da ima g-Al2O3 kristalinično strukturo z visokim tališčem in temperaturno stabilnostjo ter nenavadno ostrim vrhom pri 1,52 A-1, ki ustreza psevdobraggovim ravnem, ki se generirajo vzdolž praznine; to se močno razlikuje od običajnih oksidov, ki tvorijo steklo, saj kaže, da ta recept ustvarja strukturno ločene steklene izdelke.

Rezultati te raziskave kažejo, da je bila steklena infiltrirana glinena keramika izdelana po inovativnem in zgodovinsko pomembnem receptu, ki se je bistveno razlikoval od tradicionalnih arheoloških receptov za steklo, saj je bil spremenjen tako, da je zmanjšal težave z motenjem, povezane s stekli z visoko vsebnostjo glinenca.

Aplikacije

Aluminij je ključni element v izdelkih iz neprebojnega stekla zaradi svoje izjemne odpornosti na pritisk in trdote, zato je bistven material v tehnični ali napredni keramiki, namenjeni za ekstremna okolja, z zahtevami po toplotni stabilnosti in povečani odpornosti na obrabo. Aluminij v prahu se lahko meša tudi z drugimi materiali za izdelavo edinstvenih steklenih ali keramičnih izdelkov različnih barv, oblik in velikosti ter dodaja v različne postopke izdelave stekla, kot so postopki izdelave alumosilikatnega stekla, ki je znano po svoji izjemni kemični in toplotni odpornosti.

Aluminij se uporablja v številnih industrijskih aplikacijah, od ognjevzdržnih materialov in keramike do polirnih in abrazivnih izdelkov. Aluminij je tudi pomembna sestavina zaviralcev gorenja in dušilcev dima ter medicinskih pripomočkov, avtomobilske in vesoljske industrije. Poleg tega se zaradi svojih lastnosti trdnosti in odpornosti proti koroziji pogosto kombinira z materiali, kot sta silicijev dioksid ali apno, da se dosežejo optimalne lastnosti v določenih aplikacijah.

Raziskovalci izvajajo študije za povečanje duktilnosti aluminijevega oksida, tako da ga ustvarijo v njegovem prvotnem, amorfnem stanju in ne v obliki kristalov. Njihove raziskave so pokazale, da ta oblika omogoča deformacijo pri sobni temperaturi v primerjavi z enokomponentnimi oksidnimi stekli, ki te lastnosti nimajo. Njihove raziskave kažejo, da bi se za izdelavo te oblike lahko uporabilo pulzno lasersko nanašanje, pri katerem se oblikuje amorfni film, ki se po nastanku hitro ohladi.

Hitro ohlajanje omogoča, da se molekularne vezi pri raztezanju sprostijo in preoblikujejo, pri čemer se mehanske napetosti razpršijo in ne koncentrirajo na koncentriranih mestih, s čimer se prepreči nastanek ostrih razpok. Ta vrsta duktilnosti je bolj podobna keramiki kot tipičnim steklenim izdelkom.

Eden od načinov za povečanje duktilnosti aluminijevega oksida je dodajanje drugih mineralov v stekleno matrico. Alumosilikatno steklo na primer združuje 57-60% silicijevega dioksida (SiO2) s 16-20% aluminijevega oksida (Al2O3), 5-7% kalcijevega oksida (CaO), 6-12% magnezijevega oksida (MgO) in borovega trioksida (B2O3); ta vrsta je znana po odpornosti na praske v mobilnih napravah.

Za proizvodnjo aluminijevega stekla je treba aluminijev prah najprej razpršiti s polivinilalkoholnim vezivom, da nastane zeleno telo, ki ga je mogoče zlahka oblikovati. Ko so ta zrnca oblikovana, jih je mogoče nadalje obdelati in oblikovati v različne steklene in keramične izdelke s suhim stiskanjem, iztiskanjem, brizganjem ali vročim izostatičnim stiskanjem.

Proizvodnja

Kot pove že njegovo ime, se aluminijevo steklo začne z aluminijevim oksidom (Al2O3) ali pogosteje imenovanim "aluminijev oksid". Proizvajalci kovinskega aluminija izkopavajo ta mineral na Zemlji, nato pa ga predelajo v bel prah, ki se uporablja za izdelavo stekla. Toda za razliko od stekel na osnovi silicijevega dioksida, kot so stekla, izdelana iz silicijevega prahu, aluminijev oksid nima lastnosti duktilnosti, ki so potrebne za določene aplikacije - raziskovalci so poročali, da se deformira le v posebnih pogojih, kot so hitre hitrosti ohlajanja ali izpostavljenost ekstremnim obremenitvam.

Erkka Frankberg s Tehniške univerze v Tampereju na Finskem je vodil ekipo, ki si je prizadevala premagati to oviro. V ta namen so uporabili pristop, sestavljen iz atomističnega modeliranja, eksperimentalnih meritev in simulacij molekularne dinamike, da bi izdelali mikroskopske filme aluminijevega oksida, ki omogočajo neomejeno plastično deformacijo.

Znanstveniki so na steklene kroglice razpršili aluminijev prah, nato pa jih segreli na temperaturo tik nad temperaturo steklastega prehoda, vendar pod temperaturo kristalizacije. Pustili so, da se kroglice hitro ohladijo, preden so na njih opravili analize, kot sta rentgenska difrakcija in diferencialna termična analiza. S poskusi so ugotovili, da se lahko stekla iz aluminijevega oksida raztegnejo do 8%, preden se zlomijo, kar je bistveno več od značilnega raztezanja 2-2% in stiskanja 4-40%, ki sta značilna za silicijev dioksid, preden se zlomi.

Frankbergova ekipa je preučila mikrostrukturo aluminijevega stekla. Opazili so, da ima zelo brezhibno, atomsko tesno mrežo molekul, ki omogoča enostavno preklapljanje pri obremenitvah. Nasprotno pa ima kremenčevo steklo v svoji atomski strukturi več vrzeli, kar omejuje njegovo sposobnost deformacije.

Znanstveniki so oblikovali steklo iz aluminijevega oksida z redkimi elementi volframovega in tantalovega oksida, da bi dosegli edinstvene lastnosti, kot so električna prevodnost in odpornost na kemične napade, visoka trdnost in izjemna trdota (9-stopenjska Mohsova lestvica).

Raziskovalna skupina še ni razvila učinkovitega postopka za proizvodnjo aluminijastega stekla komercialne kakovosti, vendar je še vedno optimistična glede njegovega potenciala. Njihovi naslednji koraki vključujejo nadaljnje študije o tem, kaj je vzrok za njegovo delovanje, nato pa bodo znanje uporabili za razvoj drugih vrst stekla z uporabnimi lastnostmi.