Vetro allumina

Il vetro di allumina è un materiale estremamente resistente agli agenti chimici e termici, con un'elevata resistenza, bassi livelli di conducibilità elettrica ed estrema durezza (scala 9 Mohs). L'allumina è spesso presente nella composizione di prodotti ceramici avanzati, come i dispositivi di visione notturna o le ogive dei missili a ricerca di calore.

È fatto di ossido di alluminio

L'allumina è un materiale estremamente duro, secondo solo al diamante in termini di durezza. Grazie alla sua durata, l'allumina è un ingrediente eccellente nella produzione di vetro e ceramica, in particolare di ceramiche tecniche o avanzate progettate per ambienti difficili e che richiedono una resistenza superiore alla pressione e all'usura. L'allumina può anche essere combinata con altri materiali per produrre diversi tipi di vetro e ceramica.

Gli scienziati hanno condotto studi per aumentare la durata dell'ossido di alluminio. Hanno provato a mescolarlo con ossidi metallici come quelli di tungsteno e scandio per aggiungere forza e duttilità; alla fine hanno creato un tipo di vetro completamente nuovo che si è dimostrato resistente sia alla chimica che agli shock termici, rendendolo adatto a finestre blindate, dispositivi di visione notturna e ogive di missili a ricerca di calore.

I ricercatori hanno scoperto che il vetro di allumina può essere prodotto con tecniche simili a quelle dei vetri di silice tradizionali, ma ha una maggiore plasticità grazie al fatto di essere un materiale amorfo con spazi vuoti nella sua struttura atomica che consentono di dissipare l'energia muovendosi senza incrinarsi; i vetri di silice tradizionali, invece, tendono a essere fragili perché i loro atomi non possono muoversi liberamente sotto sforzo e si rompono in frammenti.

Nel processo di produzione, la polvere di allumina viene granulata a spruzzo con alcool polivinilico per formare un corpo verde che può essere trasformato in vari tipi di vetro e ceramica. I granuli vengono poi sottoposti a trattamenti termici mediante pressatura a secco o colata a iniezione e possono essere ulteriormente lavorati mediante levigatura e stampaggio per ulteriori fasi di lavorazione, prima di essere infine sottoposti a un trattamento di ricottura che aumenta la durezza e la tenacità dei prodotti in vetro di allumina.

L'allumina è un additivo sempre più diffuso nella produzione del vetro grazie alla sua capacità di aumentare la forza meccanica e la resistenza agli shock termici. Inoltre, la sua natura insolubile la rende immune da condizioni acide, mentre la sua resistenza all'usura la rende adatta a contenitori o lampade a scarica ad alta intensità.

È fragile

Il vetro è notoriamente fragile perché la sua energia meccanica non può essere dissipata in modo efficace quando si deforma, ma si concentra in corrispondenza di difetti microscopici e crea concentrazioni localizzate di stress e crepe taglienti che si propagano rapidamente e portano alla frantumazione. Il vetro allumina offre soluzioni potenziali in quanto ostacola la propagazione delle punte delle cricche quando si propagano, riducendo le possibilità di frattura e, in ultima analisi, migliorando la resistenza del vetro e la frantumazione.

L'allumina offre molte proprietà desiderabili che la rendono un componente ricercato nella produzione del vetro, tra cui la sua duttilità. L'allumina aumenta la resistenza alla trazione, la tensione superficiale e la lucentezza, oltre ad allungare il campo di lavoro, diminuire la tendenza alla devetrificazione e aumentare la resistenza agli attacchi acidi. Inoltre, presenta una bassa pressione di vapore, un basso tasso di espansione ed è relativamente privo di impurità rispetto ai materiali alternativi utilizzati.

Anche se costosa, l'aggiunta di allumina alla formulazione di un vetro per i suoi numerosi vantaggi ne vale la pena. Tuttavia, poiché l'allumina è insolubile nei vetri silicati, di solito deve essere aggiunta come fonte di alcali nei silicati di soda (SLS) e nei borosilicati, per aumentare la temperatura di fusione e migliorare le proprietà fisiche dell'impasto, come il controllo del ritiro e l'adesione delle sospensioni, oltre a contribuire alla sinterizzazione.

Le ceramiche di allumina, che sono materiali isolanti altamente resistenti al calore e alle sostanze chimiche, trovano numerose applicazioni in diversi settori, come lenti e finestre ottiche, dispositivi per la visione notturna, ogive per missili a ricerca di calore e armature con supporto in UHMWPE per offrire una protezione balistica sufficiente dalle minacce dei fucili. Le ceramiche di allumina giocano un ruolo chiave anche in alcuni progetti di armature per il corpo; la loro combinazione con il supporto in fibra aramidica offre una protezione balistica sufficiente.

L'allumina può essere utilizzata in molti prodotti diversi, tra cui refrattari, ceramiche e abrasivi. L'allumina è una delle forme di ossido di alluminio più frequentemente prodotte nella produzione industriale, con oltre 115 milioni di tonnellate prodotte ogni anno. L'allumina serve anche come materia prima in molti processi metallurgici e nell'industria chimica, tra cui la produzione di lubrificanti, composti di lucidatura e produzione di vetro.

I ricercatori della Tampere University of Technology in Finlandia hanno sintetizzato con successo pellicole microscopiche di allumina altamente flessibili, che si allungano fino a 8% prima di rompersi. Questa cifra supera il limite di estensibilità della silice di 2-2% e dimostra che l'allumina è molto più duttile di quanto si pensasse.

È duttile

In contrasto con le qualità di fragilità del vetro di silice, il vetro di allumina vanta un'elevata duttilità. Ciò è dovuto alla maggiore concentrazione di ossido di alluminio, che lo rende più flessibile. Inoltre, il suo punto di fusione più basso rispetto alla silice ne semplifica la lavorazione e rende la modellazione dell'allumina in varie forme un aspetto integrante della produzione del vetro.

Il vetro allumina trova numerose applicazioni nei materiali aerospaziali e nelle vetroceramiche. Possiede proprietà uniche, tra cui un basso coefficiente di espansione e un'elevata resistenza alla trazione, una buona resistenza chimica, un'estrema durezza, la trasparenza ottica e una bassa conducibilità elettrica - caratteristiche che rendono il materiale molto utilizzato nei finestrini degli aerei, nei parabrezza delle auto, nei dispositivi per la visione notturna e nei coni nasali dei missili a ricerca di calore.

Il vetro può essere trasformato in numerosi prodotti, da contenitori e bottiglie a isolanti e rivestimenti in film sottile. Può anche essere fuso per formare lastre spesse o rivestimenti a film sottile; e persino soffiato in tubi per reti di comunicazione a fibre ottiche e applicazioni per celle solari. L'allumina viene utilizzata anche come parte di refrattari ceramici o materiali per la lucidatura, come sostanza abrasiva o addirittura come ritardante di fiamma.

La produzione del vetro è un processo intricato. Gli ingredienti devono essere selezionati con cura per produrre una miscela ideale di componenti refrattari e non refrattari. La sabbia utilizzata per formare il vetro deve contenere percentuali adeguate di magnesia, silice, titania o zinco. Anche gli alcali e la soda devono essere in proporzioni adeguate, poiché queste aggiunte possono influire sulla temperatura di fusione e sulla viscosità, influenzando di conseguenza la duttilità del vetro.

Un tempo i ricercatori credevano che la composizione chimica del vetro determinasse la sua fragilità o duttilità; tuttavia, recenti esperimenti hanno dimostrato il contrario. Secondo Erkka Frankberg della Tampere University of Technology in Finlandia e i suoi colleghi, la struttura gioca un ruolo più importante. Hanno scoperto che il vetro di allumina può essere flessibile in condizioni di carico non vincolato; questa scoperta potrebbe aiutare gli scienziati a creare vetri flessibili che non si frantumano in caso di impatto.

È amorfo

Il vetro allumina è un tipo di vetro amorfo creato da alluminosilicati contenenti ossido di alluminio. Il vetro di allumina è un materiale estremamente resistente e può sopportare sollecitazioni significative. Questa tenacità è dovuta alla sua struttura atomica unica che dissipa l'energia attraverso la riformazione dei legami piuttosto che attraverso la rottura, a differenza della silice che contiene spazi vuoti che impediscono ai suoi atomi di spostarsi quando le sollecitazioni colpiscono.

L'allumina amorfa è difficile da produrre e gli scienziati hanno faticato a comprenderne le proprietà fisiche. Tuttavia, le simulazioni di dinamica molecolare offrono un modo potente per studiarne le strutture e le proprietà; le simulazioni di dinamica molecolare consentono agli scienziati di studiare queste caratteristiche con grande dettaglio, compresa l'analisi vibrazionale dei gruppi cationici all'interno delle sue strutture e i problemi di stabilità che sorgono durante i processi di formazione del vetro, fornendo una visione essenziale del perché queste sostanze presentano una duttilità eccezionale.

La spettroscopia Raman può fornire un altro metodo utile per caratterizzare l'allumina. Rivela la formazione di fasi cristalline all'interno delle vetroceramiche e fa luce sul loro utilizzo come modificatori di rete e compensatori di carica, sulle variazioni del grado di polimerizzazione, sulle separazioni di fase e sulla distribuzione dell'acqua nei vetri alluminosilicati.

Gli spettri FTIR dell'allumina variano da 380 a 630 cm-1 a seconda della fase e del metodo di preparazione, con lunghezze d'onda di picco indicative di ioni di ossigeno a tripla coordinazione o di moti fuori piano nelle sue molecole che influiscono sulle proprietà meccaniche.

I ricercatori hanno sviluppato un processo innovativo per la produzione di massa di pellicole microscopiche di allumina. Basata sull'anodizzazione dell'alluminio in soluzioni acide, questa tecnica permette di anodizzarlo con diverse composizioni chimiche, dimensioni dei pori e microstrutture per diverse applicazioni chimiche, dalla colorazione decorativa agli schermi antisfondamento.

L'allumina anodica porosa è un materiale indispensabile sia nelle nanotecnologie che nelle applicazioni della scienza del vetro, in quanto fornisce modelli atomistici precisi per la transizione vetrosa. Cambiando la specie di elettrolita e la tensione, le sue proprietà atomistiche possono essere identificate e studiate ulteriormente.