Alumínium-oxid üveg

Az alumínium-oxid-üveg rendkívül vegyszer- és hőálló üveganyag, nagy szilárdsággal, alacsony elektromos vezetőképességgel és rendkívüli keménységgel (9 Mohs skála). Az alumínium-oxid gyakran megtalálható olyan fejlett kerámiatermékek összetételének részeként, mint az éjjellátó készülékek vagy a hőkereső rakéták orrkúpjai.

Alumínium-oxidból készült

Az alumínium-oxid rendkívül kemény anyag, keménységét tekintve a gyémánt után a második helyen áll. Tartóssága miatt az alumínium-oxid kiváló alapanyag az üveggyártásban és a kerámiagyártásban, különösen a műszaki vagy fejlett kerámiák esetében, amelyeket kemény környezetbe terveztek, és amelyeknek kiváló nyomásállóságra és kopásállóságra van szükségük. Az alumínium-oxid más anyagokkal is kombinálható különböző üveg- és kerámiatermékek előállításához.

A tudósok tanulmányokat folytatnak az alumínium-oxid tartósságának növelése érdekében. Kipróbálták, hogyan keverik azt olyan fémoxidokkal, mint a volfrám és a szkandium, hogy növeljék a szilárdságot és a képlékenységet; végül egy teljesen új üvegtípust hoztak létre, amely kémiailag ellenállónak és hősokkállónak is bizonyult - így páncélozott ablakok, éjjellátó készülékek és hőérzékelő rakéták orrkúpjai számára is alkalmas.

A kutatók felfedezték, hogy az alumínium-oxid üveg a hagyományos szilícium-dioxid üvegekhez hasonló technikákkal előállítható, ugyanakkor nagyobb képlékenységgel rendelkezik, mivel amorf anyag, amelynek atomszerkezetében hézagok vannak, amelyek lehetővé teszik az energia eloszlását a repedés nélküli mozgással; a hagyományos szilícium-dioxid üvegek viszont általában törékenyek, mivel atomjaik nem tudnak szabadon mozogni feszültség alatt, hanem darabokra törnek szét.

A gyártási folyamat részeként a timföldport polivinil-alkohollal porlasztják, hogy zöld testet képezzen, amely aztán különböző típusú üvegekké és kerámiákká alakítható. A granulátumokat ezután hőkezelésnek vetik alá száraz préseléssel vagy fröccsöntéssel, majd további feldolgozási lépésekkel csiszolással és öntéssel tovább feldolgozhatók, mielőtt végül lágyítási kezelésnek vetik alá, amely növeli a timföldüveg termékek keménységét és szívósságát.

Az alumínium-oxid egyre népszerűbb adalékanyag az üveggyártásban, mivel képes növelni a mechanikai szilárdságot és a hőállóságot. Ezenfelül oldhatatlan jellege miatt savmentes marad, míg kopásállósága alkalmassá teszi tartályok vagy nagy intenzitású kisülési lámpák számára.

Törékeny

Az üveg köztudottan törékeny, mivel a mechanikai energia nem tud hatékonyan eloszlani, amikor deformálódik, hanem a mikroszkopikus hibáknál koncentrálódik, és helyi feszültségkoncentrációkat és éles repedéseket hoz létre, amelyek gyorsan terjednek és töréshez vezetnek. Az alumínium-oxid-üveg potenciális megoldást kínál azáltal, hogy tompítja a repedések csúcsainak terjedését, csökkentve a törés esélyét, és végső soron jobb üvegszilárdságot és törésállóságot eredményez.

Az alumínium-oxid számos olyan kívánatos tulajdonsággal rendelkezik, amelyek az üveggyártás kívánatos összetevőjévé teszik, többek között a képlékenysége. Az alumínium-dioxid növeli a szakítószilárdságot, a felületi feszültséget és a csillogást, valamint meghosszabbítja az üzemi tartományt, csökkenti a devitrifikációs hajlamot és növeli a savakkal szembeni ellenállást. Ezenkívül alacsony gőznyomással és tágulási sebességgel rendelkezik, és az alternatívaként használt anyagokhoz képest viszonylag mentes a szennyeződésektől.

Bár drága, de az alumínium-oxid hozzáadása az üvegkészítményhez számos előnye miatt megéri. Mivel azonban a timföld a szilikátüvegekben nem oldódik, általában lúgforrásként kell hozzáadni a szódabikarbónás szilikátokhoz (SLS-ek) és a boroszilikátokhoz lúgforrásként, hogy növelje az olvadási hőmérsékletet, miközben javítja az iszap fizikai tulajdonságait, például a szuszpenzió tapadásának zsugorodásának szabályozását, valamint segíti a szinterelést.

Az alumínium-oxid-kerámiák, amelyek rendkívül hő- és vegyszerálló szigetelőanyagok, számos területen - például optikai lencsék és ablakok, éjjellátó eszközök, hőkereső rakéták orrkúpjai és UHMWPE hátlappal ellátott testpáncélok, amelyek megfelelő ballisztikai védelmet nyújtanak a puskák által jelentett fenyegetésekkel szemben - számos területen alkalmazhatók. Az alumínium-oxid-kerámia egyes testpáncélok kialakításában is kulcsszerepet játszik; aramidszálas hátlappal kombinálva elegendő ballisztikai védelmet nyújt.

A timföld számos különböző termékben felhasználható, beleértve a tűzálló anyagokat, kerámiákat és csiszolóanyagokat. A timföld az alumínium-oxid egyik leggyakrabban előállított formája az ipari gyártásban, évente több mint 115 millió tonnát állítanak elő belőle. Az alumínium-oxid számos kohászati folyamat nyersanyagaként is szolgál, valamint a vegyiparban is felhasználásra kerül, beleértve a kenőanyagok előállítását, a polírozó vegyületek gyártását és az üveggyártást.

A finnországi Tamperei Műszaki Egyetem kutatói sikeresen szintetizáltak mikroszkopikus méretű alumínium-oxid filmeket, amelyek rendkívül rugalmasak, akár 8%-t is nyújthatnak, mielőtt megtörnének. Ez a szám eltörpül a szilícium-dioxid 2-2% nyújtási határértéke mellett, és bizonyítja, hogy az alumínium-oxid lényegesen képlékenyebb, mint korábban hitték.

Ez képlékeny

A szilícium-dioxid üveg törékeny tulajdonságaival szemben a timföldüveg nagyfokú képlékenységgel büszkélkedhet. Ez az alumínium-oxid magasabb koncentrációjának tulajdonítható, ami rugalmasabbá teszi. Továbbá a szilícium-dioxidnál alacsonyabb olvadáspontja egyszerűbbé teszi a megmunkálását, és az alumínium-oxid különböző formákba való alakítását az üveggyártás szerves részévé teszi.

Az alumínium-oxid-üvegnek számos felhasználási területe van a repülőgépipari anyagok és az üvegkerámia területén. Egyedülálló tulajdonságokkal rendelkezik, többek között alacsony tágulási együtthatóval és nagy szakítószilárdsággal; jó kémiai ellenállással; rendkívüli keménységgel; optikai átlátszósággal és alacsony elektromos vezetőképességgel - ezek a tulajdonságok teszik az anyagot népszerűvé a repülőgépek ablakaiban/autók szélvédőiben/éjjellátó eszközökben/hőérzékelő rakéták orrkúpjaiban.

Az üveg számos termékké feldolgozható, a tartályoktól és palackoktól kezdve a szigetelőkig és vékonyréteg-bevonatokig. Megolvasztva vastag táblák vagy vékonyréteg-bevonatok is készíthetők belőle, sőt, üvegszálas kommunikációs hálózatokhoz és napelemes alkalmazásokhoz csövekbe is fújható. A timföldet kerámia tűzálló anyagok vagy polírozó anyagok részeként, csiszolóanyagként vagy akár tűzgátlóként is használják.

Az üvegkészítés bonyolult folyamat. Az összetevőket gondosan kell kiválasztani annak érdekében, hogy a tűzálló és nem tűzálló összetevők ideális keveréke jöjjön létre. Az üveg formázásához használt homoknak megfelelő százalékban kell tartalmaznia magnézium-dioxidot, szilícium-dioxidot, titánium-dioxidot vagy cinket. A lúgnak és a szódának is megfelelő arányban kell lennie, mivel ezek a hozzáadások befolyásolhatják az olvadási hőmérsékletet és a viszkozitást; következésképpen befolyásolhatják a képlékenységet.

A kutatók egykor úgy vélték, hogy az üveg kémiai összetétele határozza meg, hogy törékeny vagy képlékeny lesz-e. A legújabb kísérletek azonban ennek ellenkezőjét bizonyították. Erkka Frankberg, a finnországi Tamperei Műszaki Egyetem munkatársa és kollégái szerint a szerkezet sokkal fontosabb szerepet játszik. Felfedezték, hogy az alumínium-oxid üveg rugalmas lehet korlátlan terhelési körülmények között; ez a felfedezés segítheti a tudósokat abban, hogy olyan rugalmas üvegeket hozzanak létre, amelyek nem törnek össze ütközéskor.

Ez amorf

Az alumínium-üveg egy alumínium-oxidot tartalmazó alumínium-szilikátokból előállított amorf üvegtípus. Az alumínium-oxid-üveg rendkívül szívós anyag, és jelentős igénybevételnek is ellenáll. Ez a szívósság az egyedi atomszerkezetének köszönhető, amely az energiát inkább a kötések újraképződésével, mint repedéssel oszlatja el, ellentétben a szilícium-dioxiddal, amely hézagokat tartalmaz, amelyek megakadályozzák, hogy az atomjai elmozduljanak, amikor a feszültség hatására.

Az amorf alumínium-oxidot nehéz előállítani, és a tudósok nehezen értették meg fizikai tulajdonságait. A molekuladinamikai szimulációk azonban hatékony módot biztosítanak szerkezetének és tulajdonságainak tanulmányozására; a molekuladinamikai szimulációk lehetővé teszik a tudósok számára, hogy ezeket a tulajdonságokat nagy részletességgel tanulmányozzák - beleértve a szerkezeten belüli kationcsoportok rezgéselemzését, valamint az üvegesedési folyamatok során felmerülő stabilitási kérdéseket -, így alapvető betekintést nyújtanak abba, hogy az ilyen anyagok miért mutatnak kivételes képlékenységet.

A Raman-spektroszkópia egy másik hasznos módszer lehet az alumínium-oxid jellemzésére. Feltárja a kristályos fázisok kialakulását az üvegkerámiákon belül, és fényt derít a hálózatmódosítóként és töltéskompenzátorként való felhasználásukra, a polimerizációs fok változásaira, a fázisszétválasztási eseményekre, valamint az alumínium-szilikát üvegeken belüli vízeloszlásra.

Az alumínium-dioxid FTIR-spektrumai 380 és 630 cm-1 között mozognak a fázistól és az előállítási módszertől függően, a csúcsok hullámhossza a háromszorosan koordinált oxigénionokra vagy a molekulák síkján kívüli mozgására utal, amelyek befolyásolják a mechanikai tulajdonságokat.

A kutatók innovatív eljárást fejlesztettek ki mikroszkopikus méretű alumínium-oxid filmek tömeges előállítására. Az alumínium savas oldatokban történő eloxálásán alapuló technika lehetővé teszi számukra, hogy különböző kémiai összetételű, pórusméretű és mikroszerkezetű alumíniumot eloxáljanak különböző kémiai alkalmazásokhoz; a dekoratív színezéstől a törésálló képernyőkig.

A porózus anódos alumínium-oxid nélkülözhetetlen anyag mind a nanotechnológiai, mind az üvegtudományi alkalmazásokban, mivel atomi pontosságú modelleket biztosít az üvegátmenethez. Az elektrolitfajták és a feszültség változtatásával atomi tulajdonságai azonosíthatók és tovább tanulmányozhatók.