Глиноземне скло

Скляні піски, що використовуються для виробництва високоглиноземного скла, зазвичай містять низький відсоток магнезії. Цей мінеральний пісок може надходити як з родовищ гірських порід, так і з неочищених природних джерел, і повинен залишатися таким протягом усього виробництва.

SEM-EDS аналіз зразка зеленого скла JXL09 виявив червоні включення, що містять кристали бариту, а також збагачення на Cu, Fe і S, що свідчить про те, що він містить сульфідну мідно-залізну сировину.

Характеристики

Глиноземне скло - це скло з оксиду алюмінію з численними унікальними властивостями, завдяки яким воно високо цінується у сферах застосування, де потрібні міцність, хімічна і термічна стійкість, оптична прозорість і низька електропровідність. Глинозем широко використовується в ілюмінаторах літаків та автомобільних вікнах, а також у приладах нічного бачення і носових конусах ракет з тепловим наведенням. Крім того, глинозем має низьку електропровідність, коефіцієнт розширення і твердість (найвищий показник за шкалою Мооса).

На археологічних розкопках у Південній Азії знайдено численні приклади скла, виготовленого з використанням багатих на глинозем композицій. Аналіз складу вказує на те, що ці склянки виготовлялися за рецептами, які мають давню історію в цьому регіоні; однак залишається невідомим, чи окремі рецепти виникли там, чи були запозичені з інших місць у більшій групі рецептів.

Глинозем покращує температуру склування, щільність і хімічну стійкість натрієво-вапняно-кремнеземного скла, підвищуючи його температуру склування, щільність і хімічну стійкість. Глинозем також перешкоджає утворенню помутніння борної кислоти, зупиняючи її окислення частинками оксиду кремнію. Глиноземне скло має багато переваг перед традиційним ізоляційним і декоративним склом, наприклад, підвищену міцність, вищу температуру плавлення, нижчий рівень електропровідності, нижчий коефіцієнт розширення і відмінні антикорозійні властивості.

Мікроструктура глиноземного скла змінюється залежно від рівня його прожарювання. Непрокалені зразки демонструють мережу кристалів і деякі порожнечі; при нагріванні до температур, які викликають поверхневу кристалізацію, поверхнева кристалізація збільшується більше, ніж у звичайного скла; в GS028, наприклад, кластерний оксид свинцю-олова можна побачити поряд з частинками алюмосилікату натрію і содаліту; в інших зразках з додатковими частинками, що містять глинозем, поверхнева кристалізація різко збільшується, в той час як кристали, як правило, мають менші розміри, ніж у звичайних скляних зразків.

Включення сульфіду міді та сирого оксиду міді, знайдені в глиноземному склі, є справді загадковими, що дозволяє припустити, що вони, можливо, потрапили до нього через спільне плавлення окисної та сульфідної міді, хоча, ймовірно, майстрам знадобилися б довгі та виснажливі зусилля, щоб очистити скло від матового нальоту, перш ніж включення могли потрапити всередину.

Властивості

Оксид алюмінію (g-Al2O3), що міститься в глиноземному склі, має багато унікальних і корисних властивостей, зокрема високу температуру плавлення і температурну стабільність, що робить його придатним для застосування в керамічних вогнетривах, полірувальних матеріалах і абразивних матеріалах. Крім того, цей компонент використовується в якості вогнезахисного/димозахисного розчину, а також є важливою сировиною для виробництва як глинозему, так і багатьох спеціальних сплавів.

Мікроструктура склокераміки, інфільтрованої глиноземом, значно варіюється між зразками. Загалом, вона має тенденцію до зернистості з невеликими кристалами глинозему та зернами польового шпату. Однак зразки GS028 і GS022 мають більші кристали, які мають однакову форму, а деякі зразки навіть демонструють ознаки неповного розкладання олов'яного кальцію на кубічні кристали оксиду олова, присутні у вигляді загострених кристалів оксиду свинцю, що утворилися. Ці зерна потім укладені в м'яку білу силікатну матрицю, що складається з алюмосилікатної матриці натрію.

Ця матриця демонструє низький рівень магнезії (1,5 ваги%), що дозволяє припустити, що пісок, використаний для виготовлення скла, був отриманий з мінеральних джерел, таких як кварц або плагіоклаз, кінцеві члени польових шпатів, а також глинозем; докази цієї гіпотези включають великий відсоток лужних польових шпатів, знайдених у його зразках, а також змінні кількості плагіоклазу і кварцу, присутніх у ньому.

Експерименти, проведені з використанням рентгеноструктурного аналізу та нейтронної дифракції, показали, що g-Al2O3 має кристалічну структуру з високою температурою плавлення і температурною стабільністю, а також незвичайний гострий пік при 1,52 A-1, який відповідає псевдобрегговим площинам, що утворюються вздовж порожнечі; це значно відрізняється від звичайних склоутворюючих оксидів, оскільки показує, що цей рецепт дозволяє створювати структурно відмінний скляний посуд.

Результати цього дослідження демонструють, що склоінфільтрована глиноземна кераміка була виготовлена за інноваційним та історично значущим рецептом, який суттєво відрізнявся від традиційних рецептів археологічного скла з точки зору його модифікації для зменшення проблем помутніння, пов'язаних з високим вмістом глинозему у склі.

Додатки

Завдяки своїй чудовій стійкості до тиску і твердості, глинозем є ключовим елементом куленепробивного скла, що робить його важливим матеріалом у технічній або вдосконаленій кераміці, призначеній для екстремальних умов, з вимогами до термостійкості, а також підвищеними вимогами до зносостійкості. Глиноземний порошок також можна змішувати з іншими матеріалами для отримання унікальних скляних або керамічних виробів різних кольорів, форм і розмірів, а також додавати в різні процеси виробництва скла, наприклад, у процеси виробництва алюмосилікатного скла, відомого своєю надзвичайною хімічною і термостійкістю.

Глинозем використовується у багатьох галузях промисловості, від вогнетривів і кераміки до полірувальних і абразивних матеріалів. Глинозем також є важливим інгредієнтом вогнезахисних засобів і засобів для придушення диму, а також медичних приладів, автомобільної та аерокосмічної промисловості. Крім того, завдяки своїй міцності та корозійній стійкості його часто поєднують з такими матеріалами, як діоксид кремнію або вапно, для досягнення оптимальних властивостей у певних сферах застосування.

Вчені проводять дослідження з метою підвищення пластичності глинозему, створюючи його в початковому, аморфному стані, а не в кристалічній формі. Їхні дослідження показали, що ця форма дозволяє деформацію при кімнатній температурі порівняно з однокомпонентним оксидним склом, яке не має такої властивості. Їхнє дослідження припускає, що для виготовлення цієї форми можна використовувати імпульсне лазерне осадження, де утворюється аморфна плівка перед швидким охолодженням після її створення.

Швидке охолодження дозволяє молекулярним зв'язкам розслабитися і реформуватися при розтягуванні, розсіюючи механічні напруження, а не концентруючи їх у певних точках, що дозволяє уникнути появи гострих тріщин. Цей тип пластичності більше нагадує кераміку, ніж типові скляні вироби.

Одним із способів підвищення пластичності глинозему є додавання інших мінералів до скляної матриці. Наприклад, алюмосилікатне скло поєднує 57-60% кремнезему (SiO2) з 16-20% оксиду алюмінію (Al2O3), 5-7% оксиду кальцію (CaO), 6-12% оксиду магнію (MgO) і триоксиду бору (B2O3); цей тип скла відомий своєю стійкістю до подряпин на мобільних пристроях.

Для виробництва глиноземного скла порошок глинозему спочатку гранулюють за допомогою розпилювача з полівініловим спиртом, щоб сформувати зелене тіло, яке легко піддається формуванню. Після формування ці гранули можна далі обробляти і формувати в різні скляні та керамічні вироби за допомогою методів сухого пресування, екструзії, лиття під тиском або гарячого ізостатичного пресування.

Виробництво

Як випливає з назви, глиноземне скло починається з оксиду алюмінію (Al2O3) або, як його ще називають, "глинозему". Виробники металевого алюмінію видобувають цей мінерал з надр Землі, а потім переробляють його на білий порошок, з якого виготовляють скло. Але на відміну від скла на основі діоксиду кремнію, яке виробляється з порошків кремнезему, глинозем не має властивостей пластичності, необхідних для певних застосувань - дослідники повідомляють, що він деформується лише за певних умов, наприклад, при швидкому охолодженні або під впливом екстремальних навантажень.

Еркка Франкберг з Технологічного університету Тампере у Фінляндії очолив команду, яка мала на меті подолати цей бар'єр. Для цього вони використали підхід, що складається з атомістичного моделювання, експериментальних вимірювань та моделювання молекулярної динаміки, щоб створити мікроскопічні плівки глинозему, які дозволяли необмежену пластичну деформацію.

Вчені розпорошили порошок глинозему на скляні намистини, а потім нагріли їх до температури трохи вище температури склування, але нижче точки кристалізації. Вони дали кулькам швидко охолонути, перш ніж проводити на них такі аналізи, як рентгенівська дифракція та диференціальний термічний аналіз. Їхні експерименти показали, що глиноземне скло може розтягнутися до 8% перед руйнуванням, що значно більше, ніж типове розтягнення кремнезему на 2-2% і стиснення на 4- 40% перед руйнуванням.

Команда Франкберга дослідила мікроструктуру глиноземного скла. Вони побачили його бездефектну, атомарно близьку мережу молекул, яка дозволяє легко переключатися під впливом напруги. На противагу цьому, кварцове скло має більше проміжків у своїй атомній структурі, що обмежує його здатність до деформації.

Вчені розробили глиноземне скло з рідкісними елементами вольфраму і танталу для отримання унікальних властивостей, таких як електропровідність і стійкість до хімічних впливів, висока міцність і надзвичайна твердість (9 одиниць за шкалою Мооса).

Дослідницька група ще не розробила ефективного процесу виробництва комерційного глиноземного скла, але вони залишаються оптимістами щодо його потенціалу. Їхні наступні кроки включають подальше вивчення того, що зумовлює його роботу, перш ніж застосувати отримані знання для розробки інших типів скла з корисними властивостями.