Hliníkové sklo

Hliníkové sklo je extrémně chemicky a tepelně odolný skleněný materiál s vysokou pevností, nízkou elektrickou vodivostí a extrémní tvrdostí (9. stupeň Mohsovy stupnice). Hliník se často vyskytuje jako součást složení pokročilých keramických výrobků, jako jsou přístroje pro noční vidění nebo tepelně zaměřené kužely střel.

Je vyroben z oxidu hlinitého

Oxid hlinitý je extrémně tvrdý materiál, tvrdostí se řadí na druhé místo za diamant. Díky své odolnosti je oxid hlinitý vynikající přísadou při výrobě skla a keramiky, zejména technické nebo pokročilé keramiky určené do náročných podmínek, která vyžaduje vynikající odolnost proti tlaku a opotřebení. Hliník lze také kombinovat s dalšími materiály a vyrábět z něj různé typy sklářských a keramických výrobků.

Vědci provádějí studie zaměřené na zvýšení odolnosti oxidu hlinitého. Zkoušeli ho míchat s oxidy kovů, jako jsou oxidy wolframu a skandia, aby mu dodali pevnost a tažnost; nakonec vytvořili zcela nový typ skla, který se ukázal jako chemicky odolný a zároveň odolný vůči tepelným šokům - díky tomu je vhodný pro pancéřová okna, přístroje pro noční vidění a tepelně naváděné kužely na přídi střel.

Vědci zjistili, že sklo z oxidu hlinitého lze vyrábět podobnými technikami jako tradiční křemenná skla, ale má větší plasticitu, protože je to amorfní materiál s mezerami v atomární struktuře, které umožňují rozptyl energie pohybem bez praskání; tradiční křemenná skla jsou naopak křehká, protože jejich atomy se nemohou pod napětím volně pohybovat a místo toho se rozpadají na úlomky.

V rámci výrobního procesu se práškový oxid hlinitý granuluje rozprašováním polyvinylalkoholu, čímž vzniká zelené těleso, které lze následně přeměnit na různé druhy skla a keramiky. Granule pak procházejí tepelnou úpravou buď suchým lisováním, nebo vstřikováním a mohou být dále zpracovávány broušením a lisováním pro další stupně zpracování, než jsou nakonec podrobeny žíhání, které zvyšuje tvrdost a houževnatost výrobků z oxidu hlinitého.

Hliník je stále oblíbenější přísadou při výrobě skla díky své schopnosti zvyšovat mechanickou pevnost a odolnost proti tepelným šokům. Díky své nerozpustnosti navíc nezpůsobuje kyselé podmínky a díky své odolnosti proti opotřebení je vhodný pro nádoby nebo vysoce intenzivní výbojky.

Je křehká

Sklo je notoricky známé svou křehkostí, protože jeho mechanická energie se při deformaci nemůže účinně rozptýlit, ale soustředí se na mikroskopické defekty a vytváří lokální koncentrace napětí a ostré trhliny, které se rychle šíří a vedou k roztříštění. Sklo s obsahem oxidu hlinitého nabízí potenciální řešení tím, že otupuje šíření hrotů trhlin při jejich šíření, čímž snižuje pravděpodobnost jejich prasknutí a v konečném důsledku vede k lepší pevnosti skla a odolnosti proti roztříštění.

Hliník má mnoho žádoucích vlastností, které z něj činí žádanou součást při výrobě skla, včetně jeho tvárnosti. Oxid hlinitý zvyšuje pevnost v tahu, povrchové napětí a lesk a také prodlužuje pracovní rozsah, snižuje devitrifikační tendence a zvyšuje odolnost vůči působení kyselin. Kromě toho se vyznačuje nízkým tlakem par, rychlostí expanze a ve srovnání s alternativními používanými materiály je relativně prostý nečistot.

Ačkoli je přidání oxidu hlinitého do sklářského složení nákladné, pro jeho četné výhody se vyplatí. Protože je však oxid hlinitý v křemičitanových sklech nerozpustný, musí se obvykle přidávat jako zdroj alkálií do sodno-silikátových (SLS) a borosilikátových skel jako zdroj alkálií pro zvýšení teploty tání a zároveň zlepšení fyzikálních vlastností suspenze, jako je kontrola adheze smrštění suspenze, a také pomoc při spékání.

Hliníková keramika, která je vysoce tepelně a chemicky odolným izolačním materiálem, má řadu aplikací v různých oblastech - například v optických čočkách a oknech, přístrojích pro noční vidění, kuželích na přídi tepelně naváděných střel a v neprůstřelných vestách s podkladem z UHMWPE, které poskytují dostatečnou balistickou ochranu před hrozbami ze střelných zbraní. Hliníková keramika hraje klíčovou roli také v některých konstrukcích neprůstřelných vest; její kombinace s podkladem z aramidových vláken nabízí dostatečnou balistickou ochranu.

Hliník lze využít v mnoha různých výrobcích, včetně žáruvzdorných materiálů, keramiky a brusiva. Oxid hlinitý je jednou z nejčastěji vyráběných forem oxidu hlinitého v průmyslové výrobě - ročně se ho vyrobí více než 115 milionů tun. Oxid hlinitý slouží také jako surovina v mnoha metalurgických procesech i pro použití v chemickém průmyslu, včetně výroby maziv lešticích směsí a výroby skla.

Vědci z Technické univerzity v Tampere ve Finsku úspěšně syntetizovali mikroskopické filmy oxidu hlinitého, které jsou vysoce flexibilní a před přetržením se roztáhnou až o 8%. Tato hodnota překonává hranici roztažitelnosti oxidu křemičitého 2-2% a dokazuje, že oxid hlinitý je podstatně tvárnější, než se dosud předpokládalo.

Je tvárný

V kontrastu s křehkostí křemičitého skla se korundové sklo vyznačuje vysokou tvárností. To lze přičíst vyšší koncentraci oxidu hlinitého, díky které je pružnější. Kromě toho je díky nižší teplotě tání než u oxidu křemičitého práce s ním jednodušší a tvarování oxidu hlinitého do různých tvarů je nedílnou součástí výroby skla.

Hliníkové sklo má mnohostranné využití v leteckých materiálech a sklokeramice. Má jedinečné vlastnosti, včetně nízkého koeficientu roztažnosti a vysoké pevnosti v tahu, dobré chemické odolnosti, extrémní tvrdosti, optické průhlednosti a nízké elektrické vodivosti - díky těmto vlastnostem se tento materiál s oblibou používá v oknech letadel/čelních sklech automobilů/zařízeních pro noční vidění/nosných kuželích tepelně naváděných střel.

Sklo lze zpracovávat do mnoha výrobků, od nádob a lahví až po izolátory a tenké vrstvy. Lze ho také tavit a vytvářet z něj tlusté desky nebo tenké vrstvy, a dokonce i foukat do trubek pro optické komunikační sítě a solární články. Hliník nachází uplatnění také jako součást keramických žáruvzdorných nebo leštících materiálů, jako brusná látka nebo dokonce jako zpomalovač hoření.

Výroba skla je složitý proces. Přísady je třeba pečlivě vybírat, aby vznikla ideální směs žáruvzdorných a nežáruvzdorných složek. Písek používaný k výrobě skla musí obsahovat odpovídající procento hořčíku, oxidu křemičitého, titanu nebo zinku. Alkálie a soda musí být také ve vhodném poměru, protože tyto přídavky mohou ovlivnit teplotu tání a viskozitu; v důsledku toho ovlivňují jeho tvárnost.

Vědci se kdysi domnívali, že chemické složení skla určuje, zda bude křehké nebo tvárné, avšak nedávné experimenty prokázaly opak. Podle Erkky Frankberga z Technické univerzity v Tampere ve Finsku a jeho kolegů hraje rozhodující roli struktura. Zjistili, že sklo z oxidu hlinitého může být pružné i při neomezeném zatížení; toto zjištění by mohlo vědcům pomoci při vytváření pružných skel, která se při nárazu neroztříští.

Je amorfní

Hliníkové sklo je amorfní typ skla vytvořený z hlinitokřemičitanů obsahujících oxid hlinitý. Hliníkové sklo je mimořádně houževnatý materiál a odolává značnému namáhání. Tato houževnatost je dána jeho jedinečnou atomární strukturou, která rozptyluje energii spíše reformováním vazeb než praskáním, na rozdíl od oxidu křemičitého, který obsahuje mezery, jež brání posunu jeho atomů při zátěži.

Amorfní oxid hlinitý se obtížně vyrábí a vědci se snaží pochopit jeho fyzikální vlastnosti. Simulace molekulární dynamiky však představují účinný způsob studia jeho struktury a vlastností; simulace molekulární dynamiky umožňují vědcům studovat tyto vlastnosti velmi podrobně - včetně vibrační analýzy kationtových skupin v jeho struktuře a také otázek stability, které vznikají během sklotvorných procesů - a poskytují tak zásadní vhled do toho, proč tyto látky vykazují výjimečnou tvárnost.

Ramanova spektroskopie může poskytnout další užitečnou metodu pro charakterizaci oxidu hlinitého. Odhaluje tvorbu krystalických fází ve sklokeramice a vrhá světlo na jejich použití jako modifikátorů sítě a kompenzátorů náboje, změny ve stupni polymerace, výskyt fázových separací a také distribuci vody v hlinitokřemičitanových sklech.

FTIR spektra oxidu hlinitého se pohybují od 380 do 630 cm-1 v závislosti na jeho fázi a způsobu přípravy, přičemž vlnové délky píků svědčí o trojnásobně koordinovaných iontech kyslíku nebo o mimoplošných pohybech v jeho molekulách, které mají vliv na mechanické vlastnosti.

Vědci vyvinuli inovativní postup pro hromadnou výrobu mikroskopických vrstev oxidu hlinitého. Tato technika, založená na eloxování hliníku v kyselých roztocích, jim umožňuje eloxovat hliník s různým chemickým složením, velikostí pórů a mikrostrukturou pro různé chemické aplikace; od dekorativního zbarvení až po nerozbitné obrazovky.

Porézní anodický oxid hlinitý je nepostradatelným materiálem jak v nanotechnologiích, tak ve sklářských vědách, protože poskytuje atomárně přesné modely pro skelný přechod. Změnou druhu elektrolytu a napětí lze identifikovat a dále studovat jeho atomistické vlastnosti.