アルミナガラス

アルミナガラスは、高強度、低電気伝導率、極度の硬度（モース硬度9）を持つ、極めて耐薬品性・耐熱性の高いガラス材料である。アルミナは、暗視装置や熱探知ミサイルのノーズコーンなど、高度なセラミック製品の組成の一部としてよく見られます。

酸化アルミニウム製

アルミナは非常に硬い材料であり、その硬度はダイヤモンドに次ぐ。その耐久性により、アルミナはガラス製造やセラミック製造、特に過酷な環境用に設計され、耐摩耗性だけでなく優れた耐圧性を必要とする技術セラミックや高度なセラミック製造において、優れた材料となる。アルミナはまた、他の材料と組み合わせて、さまざまなタイプのガラスやセラミック製品を製造することもできる。

科学者たちは、酸化アルミニウムの耐久性を高めるための研究を行ってきた。タングステンやスカンジウムのような金属酸化物との混合を試み、強度と延性を向上させた。最終的には、化学的耐性と耐熱衝撃性の両方が証明されたまったく新しいタイプのガラスを作り出し、装甲窓、暗視装置、熱探知ミサイルのノーズコーンに適している。

研究者たちは、アルミナガラスが従来のシリカガラスと同様の技術で製造できることを発見した。アルミナガラスはアモルファス材料であり、原子構造に隙間があるため、割れることなく動き回ることでエネルギーを散逸させることができる。

その製造工程の一部として、アルミナ粉末はポリビニルアルコールで噴霧粒化され、様々なタイプのガラスやセラミックスに加工できるグリーン体を形成する。その後、顆粒は乾式プレスまたは射出鋳造によって熱処理を受け、さらにサンディングや成形によって加工工程を追加した後、最終的にアルミナガラス製品の硬度と靭性を高めるアニール処理が施される。

アルミナは、機械的強度と耐熱衝撃性を向上させることができるため、ガラス製造における添加剤としてますます人気が高まっている。さらに、不溶性であるため酸性の条件下でも劣化しにくく、耐摩耗性であるため容器や高輝度放電ランプにも適している。

もろい

ガラスが壊れやすいのは、その機械的エネルギーが変形時に効果的に発散されないためであり、その代わりに微細な欠陥に集中し、局所的な応力集中や鋭いクラックが生じ、それが急速に伝播して飛散につながるからである。アルミナガラスは、クラックが広がる際にクラック先端の伝播を鈍らせ、破壊の可能性を減らし、最終的にガラスの強度と飛散抵抗性を向上させることで、潜在的な解決策を提供します。

アルミナは延性を含め、ガラス製造に望ましい多くの特性を提供する。アルミナは、引張強さ、表面張力、光沢を向上させるだけでなく、加工範囲を広げ、脱バインダー傾向を減少させ、酸への耐性を高める。さらに、蒸気圧や膨張率が低く、不純物が比較的少ないという特徴もあります。

高価ではあるが、アルミナはその多くの利点のためにガラス製剤に添加する価値がある。しかし、アルミナはケイ酸塩ガラスには不溶性であるため、通常はソーダ石灰ケイ酸塩（SLS）やホウケイ酸塩のアルカリ源として添加し、懸濁液の付着収縮抑制などの物理的スラリー特性を改善しながら溶融温度を上昇させ、焼結を助ける必要がある。

高い耐熱性と耐薬品性を持つ絶縁材料であるアルミナセラミックスは、光学レンズや窓、暗視装置、熱探知ミサイル用のノーズコーン、ライフルの脅威から十分な弾道保護を提供するためのUHMWPE裏打ち付き防護服など、さまざまな分野で数多くの用途があります。アルミナセラミックスは、一部の防護服の設計でも重要な役割を果たしており、アラミド繊維の裏打ちとの組み合わせにより、十分な弾道保護が得られます。

アルミナは、耐火物、セラミック、研磨剤など、さまざまな製品に利用することができる。アルミナは、工業製造において最も頻繁に生産される酸化アルミニウムの一つであり、毎年1億1,500万トン以上が生産されている。アルミナはまた、多くの冶金プロセスで原料として使用されるほか、潤滑油の製造、研磨剤の製造、ガラスの製造などの化学工業用途にも使用されている。

フィンランドのタンペレ工科大学の研究者たちは、破断するまでに8%も伸びる非常に柔軟なアルミナ微小膜の合成に成功した。この数値は、シリカの2-2%の伸縮限界値を凌ぐもので、アルミナがこれまで考えられていたよりもはるかに延性が高いことを証明している。

延性がある

シリカガラスの脆さとは対照的に、アルミナガラスは高い延性を誇る。これは酸化アルミニウムの濃度が高いため、より柔軟であることに起因する。さらに、融点がシリカよりも低いため、加工が容易で、アルミナを様々な形状に成形することがガラス製造に不可欠な要素となっている。

アルミナガラスは、航空宇宙材料やガラスセラミックスに多くの用途がある。低膨張率、高張力、優れた耐薬品性、極めて高い硬度、光学的透明性、低電気伝導性などのユニークな特性を持ち、航空機の窓ガラス、自動車のフロントガラス、暗視装置、熱探知ミサイルのノーズコーンなどに広く使用されている。

ガラスは、容器やボトルから絶縁体や薄膜コーティングまで、数多くの製品に加工することができる。また、溶融して厚いスラブや薄膜コーティングを形成したり、光ファイバー通信網や太陽電池用途のチューブに吹き込むこともできる。アルミナはまた、セラミック耐火物や研磨材の一部、研磨材、さらには難燃剤としても使用されている。

ガラス製造は複雑なプロセスである。耐火性成分と非耐火性成分の理想的な混合物を作るために、原料は慎重に選択されなければならない。ガラスを形成するために使用される砂は、マグネシア、シリカ、チタニア、亜鉛を適切な割合で含んでいなければなりません。また、アルカリとソーダも適切な割合でなければなりません。これらの添加は溶融温度と粘性に影響を与え、結果として延性に影響を与えるからです。

かつて研究者たちは、ガラスが脆いか延性があるかは化学組成で決まると考えていたが、最近の実験でそうではないことが明らかになった。フィンランド・タンペレ工科大学のエルッカ・フランクベリ教授らによれば、構造がより重要な役割を果たすという。彼らは、アルミナガラスが自由な荷重条件下でも柔軟であることを発見した。この発見は、衝撃で粉々にならない柔軟なガラスを作る上で、科学者の助けとなるだろう。

不定形だ

アルミナガラスは、酸化アルミニウムを含むアルミノケイ酸塩から作られる非晶質のガラスである。アルミナガラスは非常に強靭な素材であり、大きなひずみに耐えることができる。この靭性は、応力が加わったときに原子が移動するのを防ぐ隙間を含むシリカとは異なり、割れるのではなく、結合を再構築することでエネルギーを発散する独自の原子構造によるものです。

アモルファスアルミナは製造が難しく、科学者たちはその物理的特性を理解するのに苦労してきた。分子動力学シミュレーションでは、構造内のカチオン基の振動解析やガラス形成過程で生じる安定性の問題など、これらの特徴を詳細に研究することができる。

ラマン分光法は、アルミナの特性評価に有用なもう一つの方法である。ラマン分光法は、ガラスセラミックス内の結晶相の形成を明らかにし、ネットワーク修飾剤や電荷補償剤としての利用、重合度の変化、相分離の発生、アルミノケイ酸塩ガラス内の水分分布などに光を当てる。

アルミナのFTIRスペクトルは、その相と調製方法によって380～630cm-1の範囲にあり、ピーク波長は3回配位した酸素イオンまたは機械的特性に影響を及ぼす分子の面外運動を示す。

研究者たちは、微細なアルミナ膜を大量生産する革新的なプロセスを開発した。この技術は、酸性溶液中でのアルミニウムの陽極酸化に基づき、装飾的な着色から飛散防止スクリーンに至るまで、さまざまな化学的用途向けに、異なる化学組成、孔径、微細構造を持つアルミニウムを陽極酸化することを可能にした。

多孔質陽極酸化アルミナは、ナノテクノロジーとガラス科学の両方の応用において不可欠な材料であり、ガラス転移の精密な原子論的モデルを提供する。電解質種と電圧を変えることで、その原子論的特性を同定し、さらに研究することができる。