Alumiinioksidilasi

Alumiinilasi on erittäin kemiallista ja lämmönkestävää lasimateriaalia, jolla on korkea lujuus, alhainen sähkönjohtavuus ja äärimmäinen kovuus (9 Mohsin asteikko). Alumiinioksidia käytetään usein osana kehittyneiden keraamisten tuotteiden, kuten yönäkölaitteiden tai lämpöhakuisten ohjusten nokkakartioiden, koostumusta.

Se on valmistettu alumiinioksidista

Alumiinioksidi on erittäin kova materiaali, joka on kovuudeltaan toiseksi kovinta timantin jälkeen. Kestävyytensä ansiosta alumiinioksidi on erinomainen ainesosa lasinvalmistuksessa ja keramiikan tuotannossa, erityisesti teknisessä tai kehittyneessä keramiikassa, joka on suunniteltu vaativiin olosuhteisiin ja jossa tarvitaan erinomaista paineen- ja kulutuskestävyyttä. Alumiinioksidia voidaan myös yhdistää muihin materiaaleihin erityyppisten lasi- ja keramiikkatuotteiden valmistamiseksi.

Tutkijat ovat tehneet tutkimuksia alumiinioksidin kestävyyden parantamiseksi. He ovat yrittäneet sekoittaa sitä volframin ja skandiumin kaltaisiin metallioksideihin lujuuden ja sitkeyden lisäämiseksi; lopulta on luotu täysin uusi lasityyppi, joka on osoittautunut sekä kemiallisesti kestäväksi että lämpöshokin kestäväksi - mikä tekee siitä sopivan panssaroituihin ikkunoihin, pimeänäkölaitteisiin ja lämpöä etsivien ohjusten nokkakartioihin.

Tutkijat havaitsivat, että alumiinioksidilasi voidaan valmistaa samanlaisilla tekniikoilla kuin perinteiset piilasit, mutta se on plastisempi, koska se on amorfinen materiaali, jonka atomirakenteessa on aukkoja, jotka mahdollistavat energian haihduttamisen liikkumalla ympäriinsä ilman, että se halkeaa; perinteiset piilasit ovat yleensä hauraita, koska niiden atomit eivät voi liikkua vapaasti jännityksen alaisena, vaan ne hajoavat palasiksi.

Osana valmistusprosessia alumiinioksidijauhe ruiskutetaan polyvinyylialkoholin kanssa, jolloin muodostuu vihreää massaa, joka voidaan sitten muuntaa erilaisiksi lasi- ja keramiikkatyypeiksi. Rakeille tehdään sitten lämpökäsittelyt joko kuivapuristamalla tai ruiskuvalamalla, ja niitä voidaan käsitellä edelleen hiomalla ja muovaamalla lisäkäsittelyvaiheita varten, ennen kuin ne lopuksi hehkutetaan, mikä lisää alumiinioksidilasituotteiden kovuutta ja sitkeyttä.

Alumiinioksidi on yhä suositumpi lisäaine lasinvalmistuksessa, koska se lisää mekaanista lujuutta ja lämpöshokkien kestävyyttä. Lisäksi sen liukenematon luonne tarkoittaa, että se ei pääse happamiin olosuhteisiin, ja kulutuskestävyytensä ansiosta se soveltuu säiliöihin tai suuritehoisiin purkauslampuihin.

Se on hauras

Lasi on tunnetusti haurasta, koska sen mekaaninen energia ei pääse haihtumaan tehokkaasti muodonmuutoksen yhteydessä, vaan se keskittyy mikroskooppisiin vikoihin ja aiheuttaa paikallisia jännityskeskittymiä ja teräviä säröjä, jotka leviävät nopeasti ja johtavat särkymiseen. Alumiinilasi tarjoaa mahdollisia ratkaisuja, sillä se vaimentaa särön kärjen etenemistä särön levittäytyessä, vähentää särön murtumismahdollisuuksia ja johtaa viime kädessä parempaan lasin lujuuteen ja särkymiskestävyyteen.

Alumiinioksidilla on monia suotavia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä halutun komponentin lasinvalmistuksessa, kuten sen sitkeys. Alumiinioksidi lisää vetolujuutta, pintajännitystä ja kiiltoa sekä pidentää työstöaluetta, vähentää devitrifikaatiotaipumusta ja parantaa happokestävyyttä. Lisäksi sillä on alhainen höyrynpaine ja paisumisnopeus, ja se on suhteellisen vapaa epäpuhtauksista verrattuna vaihtoehtoisiin käytettäviin materiaaleihin.

Vaikka alumiinioksidin lisääminen lasivalmisteeseen on kallista, se kannattaa sen monien etujen vuoksi. Koska alumiinioksidi ei kuitenkaan liukene silikaattilaseihin, sitä on yleensä lisättävä emäksisenä lähteenä soodasilikaatteihin (SLS) ja borsilikaatteihin emäksisenä lähteenä sulamislämpötilan nostamiseksi ja samalla fysikaalisten lieteominaisuuksien, kuten suspensioiden tarttuvuuden ja kutistuman hallinnan, parantamiseksi sekä sintrauksen helpottamiseksi.

Alumiinikeraamilla, jotka ovat erittäin lämpöä ja kemikaaleja kestäviä eristysmateriaaleja, on lukuisia sovelluksia useilla eri aloilla, kuten optisissa linsseissä ja ikkunoissa, yönäkölaitteissa, lämpöä etsivien ohjusten nokkakartioissa ja UHMWPE-selkäpanssareissa, jotka tarjoavat riittävän ballistisen suojan kivääriuhkia vastaan. Alumiinikeraamit ovat myös avainasemassa joissakin panssarivaunujen suunnittelussa; niiden yhdistelmä aramidikuitukankaan kanssa tarjoaa riittävän ballistisen suojan.

Alumiinioksidia voidaan käyttää monissa eri tuotteissa, kuten tulenkestävissä aineissa, keramiikassa ja hioma-aineissa. Alumiinioksidi on yksi yleisimmin tuotetuista alumiinioksidimuodoista teollisessa valmistuksessa, ja sitä tuotetaan vuosittain yli 115 miljoonaa tonnia. Alumiinioksidia käytetään myös raaka-aineena monissa metallurgisissa prosesseissa sekä kemianteollisuudessa, kuten voiteluaineiden valmistuksessa, kiillotusyhdisteiden valmistuksessa ja lasinvalmistuksessa.

Tampereen teknillisen yliopiston tutkijat ovat onnistuneet syntetisoimaan mikroskooppisen pieniä alumiinioksidikalvoja, jotka ovat erittäin joustavia ja venyvät jopa 8% ennen murtumistaan. Tämä luku häviää piidioksidin 2-2%:n venyvyysrajalle ja todistaa, että alumiinioksidi on huomattavasti sitkeämpää kuin aiemmin on uskottu.

Se on sitkeää

Alumiinilasilla on suuri sitkeys, kun taas kvartsilasi on haurasta. Tämä johtuu sen suuremmasta alumiinioksidipitoisuudesta, joka tekee siitä joustavampaa. Lisäksi alumiinioksidia on helpompi työstää, koska sen sulamispiste on alhaisempi kuin piidioksidin, ja sen muotoileminen erilaisiin muotoihin on olennainen osa lasinvalmistusta.

Alumiinilasilla on monia sovelluksia ilmailu- ja avaruusmateriaaleissa ja lasikeramiikassa. Sillä on ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten alhainen laajenemiskerroin ja suuri vetolujuus, hyvä kemiallinen kestävyys, äärimmäinen kovuus, optinen läpinäkyvyys ja alhainen sähkönjohtavuus - ominaisuuksia, joiden ansiosta materiaalia käytetään yleisesti lentokoneiden ikkunoissa, autojen tuulilaseissa, yönäkölaitteissa ja lämpöä etsivien ohjusten nenäkartioissa.

Lasista voidaan valmistaa lukuisia tuotteita astioista ja pulloista eristyksiin ja ohutkalvopinnoitteisiin. Sitä voidaan myös sulattaa paksuiksi levyiksi tai ohutkalvopinnoitteiksi ja jopa puhaltaa putkiksi kuituoptisia viestintäverkkoja ja aurinkokennosovelluksia varten. Alumiinioksidia käytetään myös osana keraamisia tulenkestäviä aineita tai kiillotusaineita, hioma-aineena tai jopa palonestoaineena.

Lasinvalmistus on monimutkainen prosessi. Ainesosat on valittava huolellisesti, jotta saadaan aikaan ihanteellinen seos tulenkestävien ja ei-tulenkestävien komponenttien välillä. Lasinmuodostukseen käytettävän hiekan on sisällettävä sopivassa määrin magnesiittia, piidioksidia, titaania tai sinkkiä. Myös alkalin ja soodan on oltava sopivassa suhteessa, koska nämä lisäaineet voivat vaikuttaa sulamislämpötilaan ja viskositeettiin ja siten myös sitkeyteen.

Tutkijat uskoivat aikoinaan, että lasin kemiallinen koostumus ratkaisee, onko se haurasta vai sitkeää, mutta viimeaikaiset kokeet ovat osoittaneet toisin. Tampereen teknillisen yliopiston Erkka Frankbergin ja hänen kollegoidensa mukaan rakenteella on ratkaiseva merkitys. He havaitsivat, että alumiinioksidilasi voi olla taipuisaa rajoittamattomissa kuormitusolosuhteissa; tämä havainto voisi auttaa tutkijoita luomaan taipuisia laseja, jotka eivät pirstoudu iskuissa.

Se on amorfinen

Alumiinilasi on amorfinen lasityyppi, joka on valmistettu alumiinioksidia sisältävistä alumiinisilikaateista. Alumiinilasi on erittäin sitkeää materiaalia ja kestää huomattavaa rasitusta. Tämä sitkeys johtuu sen ainutlaatuisesta atomirakenteesta, joka haihduttaa energiaa pikemminkin muodostamalla uusia sidoksia kuin halkeilemalla, toisin kuin piidioksidi, jossa on aukkoja, jotka estävät sen atomeja siirtymästä rasituksen vaikutuksesta.

Amorfista alumiinioksidia on vaikea valmistaa, ja tutkijat ovat ponnistelleet sen fysikaalisten ominaisuuksien ymmärtämiseksi. Molekyylidynamiikkasimulaatiot tarjoavat kuitenkin tehokkaan tavan tutkia sen rakenteita ja ominaisuuksia. Molekyylidynamiikkasimulaatioiden avulla tutkijat voivat tutkia näitä ominaisuuksia hyvin yksityiskohtaisesti - mukaan lukien kationiryhmien värähtelyanalyysi sen rakenteissa sekä lasinmuodostusprosessien aikana ilmenevät stabiilisuuskysymykset - ja saada näin olennaisen käsityksen siitä, miksi tällaisilla aineilla on poikkeuksellinen sitkeys.

Raman-spektroskopia voi tarjota toisen hyödyllisen menetelmän alumiinioksidin karakterisointiin. Se paljastaa kiteisten faasien muodostumisen lasikeramiikan sisällä ja valottaa niiden käyttöä verkostomodifioijina ja varauksen kompensaattoreina, polymerisaatioasteen muutoksia, faasierotuksen tapahtumia sekä veden jakautumista alumiinisilikaattilasien sisällä.

Alumiinioksidin FTIR-spektrit vaihtelevat 380-630 cm-1 välillä sen faasista ja valmistusmenetelmästä riippuen, ja piikin aallonpituudet viittaavat kolminkertaisesti koordinoituihin happi-ioneihin tai sen molekyylien tasosta ulospäin suuntautuviin liikkeisiin, jotka vaikuttavat mekaanisiin ominaisuuksiin.

Tutkijat ovat kehittäneet innovatiivisen prosessin mikroskooppisen pienten alumiinioksidikalvojen massatuotantoon. Tämä tekniikka perustuu alumiinin anodisointiin happamissa liuoksissa, ja sen avulla he voivat anodisoida alumiinin erilaisilla kemiallisilla koostumuksilla, huokoskoolla ja mikrorakenteilla erilaisia kemiallisia sovelluksia varten; koristeellisesta värjäyksestä sirpaleenkestäviin näyttöihin.

Huokoinen anodinen alumiinioksidi on välttämätön materiaali sekä nanoteknologian että lasitieteen sovelluksissa, sillä se tarjoaa atomisesti tarkkoja malleja lasin siirtymiselle. Muuttamalla elektrolyyttilajeja ja jännitettä sen atomistisia ominaisuuksia voidaan tunnistaa ja tutkia tarkemmin.