زجاج الألومينا

زجاج الألومينا هو مادة زجاجية شديدة المقاومة للمواد الكيميائية والحرارية مع قوة عالية ومستويات توصيل كهربائي منخفضة وصلابة شديدة (مقياس موس 9). وغالبًا ما توجد الألومينا كجزء من تركيبة المنتجات الخزفية المتقدمة مثل أجهزة الرؤية الليلية أو مخاريط أنف الصواريخ الباحثة عن الحرارة.

مصنوعة من أكسيد الألومنيوم

الألومينا مادة شديدة الصلابة، وتأتي في المرتبة الثانية بعد الماس من حيث الصلابة. ونظرًا لمتانة الألومينا، فإنها تُعد مكونًا ممتازًا في صناعة الزجاج والسيراميك، خاصةً السيراميك التقني أو السيراميك المتقدم المصمم للبيئات القاسية والذي يحتاج إلى مقاومة فائقة للضغط بالإضافة إلى مقاومة التآكل. يمكن أيضًا دمج الألومينا مع مواد أخرى لإنتاج أنواع مختلفة من منتجات الزجاج والسيراميك.

أجرى العلماء دراسات لزيادة متانة أكسيد الألومنيوم. وقد جربوا خلطه مع أكاسيد معدنية مثل أكاسيد التنغستن والسكانديوم من أجل إضافة القوة والليونة؛ مما أدى في النهاية إلى ابتكار نوع جديد تمامًا من الزجاج أثبت مقاومته الكيميائية ومقاومته للصدمات الحرارية - مما يجعله مناسبًا للنوافذ المصفحة وأجهزة الرؤية الليلية ومخروط أنف الصواريخ التي تتصدى للحرارة.

اكتشف الباحثون أن زجاج الألومينا يمكن تصنيعه بتقنيات مماثلة لزجاج السيليكا التقليدي، إلا أنه يتمتع بمرونة أكبر بسبب كونه مادة غير متبلورة مع وجود فجوات في بنيته الذرية تسمح بتبديد الطاقة عن طريق التحرك دون تشقق؛ ومن ناحية أخرى، يميل زجاج السيليكا التقليدي إلى أن يكون هشًا لأن ذراته لا يمكن أن تتحرك بحرية تحت الضغط وبدلاً من ذلك تتفتت إلى شظايا.

كجزء من عملية التصنيع، يتم تحبيب مسحوق الألومينا بالرش مع كحول البولي فينيل لتشكيل جسم أخضر يمكن تحويله بعد ذلك إلى أنواع مختلفة من الزجاج والسيراميك. ثم تخضع الحبيبات بعد ذلك لمعالجات حرارية إما عن طريق الكبس الجاف أو الصب بالحقن ويمكن بعد ذلك معالجتها من خلال الصنفرة والقولبة لخطوات معالجة إضافية قبل أن تخضع في النهاية لمعالجة التلدين التي تزيد من الصلابة والمتانة في منتجات زجاج الألومينا.

تعتبر الألومينا مادة مضافة شائعة بشكل متزايد في إنتاج الزجاج نظرًا لقدرتها على زيادة القوة الميكانيكية ومقاومة الصدمات الحرارية. وعلاوة على ذلك، فإن طبيعته غير القابلة للذوبان تعني أنه يظل خاليًا من الظروف الحمضية بينما تجعله مقاومته للتآكل مناسبًا للحاويات أو مصابيح التفريغ عالي الكثافة.

إنه هش

يشتهر الزجاج بهشاشته لأن طاقته الميكانيكية لا يمكن أن تتبدد بفعالية عند تشوهه، وبدلاً من ذلك تتركز في العيوب المجهرية وتخلق تركيزات موضعية من الإجهاد والشقوق الحادة التي تنتشر بسرعة وتؤدي إلى التحطم. يقدم زجاج الألومينا حلولاً محتملة من خلال إضعاف انتشار أطراف الشقوق أثناء انتشارها، مما يقلل من فرص انكسارها ويؤدي في النهاية إلى تحسين قوة الزجاج ومقاومة التحطم.

تقدم الألومينا العديد من الخصائص المرغوبة التي تجعلها مكونًا مرغوبًا في إنتاج الزجاج، بما في ذلك ليونة الزجاج. تزيد الألومينا من قوة الشد والتوتر السطحي واللمعان بالإضافة إلى إطالة نطاق العمل وتقليل ميول الانحلال وزيادة مقاومة الهجوم الحمضي. وعلاوة على ذلك، فإنه يتميز بانخفاض ضغط البخار ومعدل التمدد وخلوه نسبيًا من الشوائب مقارنةً بالمواد البديلة المستخدمة.

على الرغم من أن إضافة الألومينا إلى تركيبة زجاجية لمزاياها العديدة تجعلها تستحق العناء، على الرغم من تكلفتها الباهظة. ونظرًا لأن الألومينا غير قابلة للذوبان في زجاج السيليكات، فإنه يجب إضافتها عادةً كمصدر قلوي في سيليكات الصودا الجيرية (SLSs) وسيليكات البوروسيليكات كمصدر قلوي لرفع درجات حرارة الانصهار مع تحسين خصائص الملاط الفيزيائية مثل التحكم في انكماش التصاق المعلق، وكذلك المساعدة في التلبيد.

لسيراميك الألومينا، وهي مواد عازلة عالية المقاومة للحرارة والمواد الكيميائية، العديد من التطبيقات في مجموعة من المجالات - مثل العدسات البصرية والنوافذ، وأجهزة الرؤية الليلية، ومخاريط الأنف للصواريخ الباحثة عن الحرارة، والدروع الواقية للبدن مع دعامة من البولي إيثيلين عالي الكثافة (UHMWPE) لتوفير حماية كافية من تهديدات البنادق. تلعب سيراميك الألومينا أيضًا دورًا رئيسيًا في بعض تصميمات الدروع الواقية للبدن؛ حيث يوفر الجمع بينها وبين دعامة من ألياف الأراميد حماية كافية من المقذوفات.

يمكن استخدام الألومينا في العديد من المنتجات المختلفة، بما في ذلك الحراريات والسيراميك والمواد الكاشطة. الألومينا هي واحدة من أكثر أشكال أكسيد الألومنيوم إنتاجاً في التصنيع الصناعي حيث يتم إنتاج أكثر من 115 مليون طن سنوياً. تُستخدم الألومينا أيضاً كمادة خام في العديد من العمليات المعدنية بالإضافة إلى استخدامات الصناعة الكيميائية بما في ذلك إنتاج مركبات صقل مواد التشحيم وإنتاج الزجاج.

نجح باحثون من جامعة تامبيري للتكنولوجيا في فنلندا في تصنيع أغشية مجهرية من الألومينا تتميز بالمرونة العالية، حيث تتمدد بمقدار 8% قبل أن تنكسر. ويتفوق هذا الرقم على الحد الأقصى لقابلية التمدد في السيليكا الذي يبلغ 2-2% ويثبت أن الألومينا أكثر مرونة مما كان يُعتقد سابقًا.

إنه قابل للسحب

وعلى النقيض من صفات زجاج السيليكا الهش، يتميز زجاج الألومينا بليونة عالية. ويمكن أن يُعزى ذلك إلى تركيزه العالي من أكسيد الألومنيوم الذي يجعله أكثر مرونة. وعلاوة على ذلك، فإن انخفاض درجة انصهاره عن السيليكا يجعل التعامل معه أسهل، ويجعل تشكيل الألومينا في أشكال مختلفة جزءًا لا يتجزأ من عملية تصنيع الزجاج.

يستخدم زجاج الألومينا في العديد من التطبيقات في المواد الفضائية وزجاج السيراميك. وهو يتمتع بخصائص فريدة من نوعها، بما في ذلك انخفاض معامل التمدد وقوة الشد العالية؛ ومقاومة كيميائية جيدة؛ وصلابة شديدة؛ وشفافية بصرية وموصلية كهربائية منخفضة - وهي خصائص تجعل المادة شائعة الاستخدام في نوافذ الطائرات/زجاج السيارات الأمامي/ أجهزة الرؤية الليلية/مخاريط أنف الصواريخ الباحثة عن الحرارة.

يمكن معالجة الزجاج في العديد من المنتجات، من الحاويات والزجاجات إلى العوازل والطلاءات الرقيقة. كما يمكن صهره لتشكيل ألواح سميكة أو طلاءات رقيقة؛ وحتى نفخه في أنابيب لشبكات اتصالات الألياف البصرية وتطبيقات الخلايا الشمسية. كما يمكن استخدام الألومينا أيضًا كجزء من المواد الحرارية الخزفية أو مواد الصقل أو كمادة كاشطة أو حتى مثبطات الحرائق.

صناعة الزجاج عملية معقدة. يجب اختيار المكونات بعناية من أجل إنتاج مزيج مثالي من المكونات الحرارية وغير الحرارية. يجب أن يحتوي الرمل المستخدم لتشكيل الزجاج على نسب مناسبة من المغنيسيا أو السيليكا أو التيتانيا أو الزنك. كما يجب أن تكون القلويات والصودا بنسب مناسبة لأن هذه الإضافات يمكن أن تؤثر على درجة حرارة الانصهار واللزوجة؛ وبالتالي تؤثر على ليونة الزجاج.

كان الباحثون يعتقدون في السابق أن التركيب الكيميائي للزجاج يحدد ما إذا كان هشًا أو قابلًا للسحب، إلا أن التجارب الحديثة أثبتت عكس ذلك. فوفقًا لإركا فرانكبيرغ من جامعة تامبيري للتكنولوجيا في فنلندا وزملائه، تلعب البنية دورًا أكثر محورية. واكتشفوا أن زجاج الألومينا يمكن أن يكون مرنًا في ظروف التحميل غير المقيد؛ ويمكن أن يساعد هذا الاكتشاف العلماء في صنع زجاج مرن لا يتحطم عند الاصطدام.

غير متبلور

زجاج الألومينا هو نوع غير متبلور من الزجاج مصنوع من الألومينيوسليكات التي تحتوي على أكسيد الألومنيوم. يعتبر زجاج الألومينا مادة شديدة الصلابة ويمكنه تحمل إجهاد كبير. وترجع هذه الصلابة إلى بنيته الذرية الفريدة التي تبدد الطاقة من خلال إعادة تشكيل الروابط بدلاً من التصدع، على عكس السيليكا التي تحتوي على فجوات تمنع ذراتها من التحول عند حدوث الإجهاد.

يصعب إنتاج الألومينا غير المتبلورة، وقد كافح العلماء لفهم خصائصها الفيزيائية. ومع ذلك توفر محاكاة الديناميكيات الجزيئية طريقة فعالة لدراسة هياكلها وخصائصها؛ حيث تتيح محاكاة الديناميكيات الجزيئية للعلماء دراسة هذه الخصائص بتفصيل كبير - بما في ذلك التحليل الاهتزازي لمجموعات الكاتيونات داخل هياكلها وكذلك مشاكل الاستقرار التي تنشأ أثناء عمليات تشكيل الزجاج - مما يوفر نظرة ثاقبة أساسية حول سبب إظهار هذه المواد ليونة استثنائية.

يمكن أن يوفر تحليل Raman الطيفي طريقة أخرى مفيدة لتوصيف الألومينا. فهو يكشف عن تكوين الأطوار البلورية داخل زجاج السيراميك ويسلط الضوء على استخدامها كمعدلات للشبكة ومعوضات للشحنة، والتغيرات في درجة البلمرة، وحدوث انفصال الطور وكذلك توزيع الماء داخل زجاج الألوميني سيليكات.

تتراوح أطياف الأشعة فوق البنفسجية للألومينا FTIR من 380 إلى 630 سم-1 اعتمادًا على طوره وطريقة تحضيره، حيث تشير أطوال موجات الذروة إلى أيونات الأكسجين ثلاثية الأضعاف أو الحركات خارج المستوى في جزيئاته التي تؤثر على الخواص الميكانيكية.

طوّر الباحثون عملية مبتكرة لإنتاج أغشية الألومينا المجهرية بكميات كبيرة. وتعتمد هذه التقنية على أنودة الألومنيوم في محاليل حمضية، وتسمح لهم هذه التقنية بأنودة الألومينا بتركيبات كيميائية وأحجام مسام وبنى مجهرية مختلفة لتطبيقات كيميائية مختلفة؛ من التلوين التزييني إلى الشاشات المقاومة للكسر.

تعتبر الألومينا الأنوديك المسامية مادة لا غنى عنها في كل من تطبيقات تكنولوجيا النانو وعلوم الزجاج، حيث توفر نماذج دقيقة ذرية دقيقة للانتقال الزجاجي. ومن خلال تغيير أنواع الإلكتروليت والجهد، يمكن تحديد خصائصها الذرية ودراستها بشكل أكبر.