Aluminiumoxide glas

Aluminiumoxide glas is een extreem chemisch en thermisch resistent glasmateriaal met hoge sterkte, lage elektrische geleidbaarheid en extreme hardheid (schaal van 9 Mohs). Alumina wordt vaak gevonden als onderdeel van de samenstelling van geavanceerde keramische producten zoals nachtkijkers of hittezoekende raketneuskegels.

Het is gemaakt van aluminiumoxide

Aluminiumoxide is een extreem hard materiaal dat qua hardheid alleen onderdoet voor diamant. Door zijn duurzaamheid is aluminiumoxide een uitstekend ingrediënt voor de productie van glas en keramiek, met name technische of geavanceerde keramiek die ontworpen is voor ruwe omgevingen en superieure drukbestendigheid en slijtvastheid nodig heeft. Aluminiumoxide kan ook gecombineerd worden met andere materialen om verschillende soorten glas en keramische producten te maken.

Wetenschappers hebben studies uitgevoerd om de duurzaamheid van aluminiumoxide te vergroten. Ze hebben geprobeerd het te mengen met metaaloxiden zoals die van wolfraam en scandium om sterkte en taaiheid toe te voegen; uiteindelijk hebben ze een geheel nieuw type glas gecreëerd dat zowel chemisch resistent als bestand tegen thermische schokken is gebleken - waardoor het geschikt is voor gepantserde ramen, nachtkijkers en hittezoekende raketneuskegels.

Onderzoekers ontdekten dat aluminiumoxide glas gemaakt kon worden met vergelijkbare technieken als traditioneel silicaglas, maar dat het plastischer is omdat het een amorf materiaal is met openingen in de atomaire structuur waardoor energie kan worden afgevoerd door te bewegen zonder te barsten; traditioneel silicaglas daarentegen is meestal bros omdat de atomen niet vrij kunnen bewegen onder spanning en in plaats daarvan uiteenvallen in fragmenten.

Als onderdeel van het productieproces wordt aluminiumoxidepoeder gesproeid gegranuleerd met polyvinylalcohol om een groen lichaam te vormen dat vervolgens kan worden omgezet in verschillende soorten glas en keramiek. Korrels ondergaan dan warmtebehandelingen via droog persen of spuitgieten en kunnen dan verder worden verwerkt door schuren en gieten voor aanvullende verwerkingsstappen voordat ze uiteindelijk worden onderworpen aan een gloeibehandeling die de hardheid en taaiheid van aluminiumoxideglasproducten verhoogt.

Aluminiumoxide is een steeds populairder additief bij de productie van glas omdat het de mechanische sterkte en weerstand tegen thermische schokken verhoogt. Bovendien zorgt de onoplosbare aard ervoor dat het vrij blijft van zure omstandigheden, terwijl de slijtvastheid het geschikt maakt voor containers of hogedrukontladingslampen.

Het is broos

In plaats daarvan wordt het geconcentreerd bij microscopische defecten en creëert het plaatselijke spanningsconcentraties en scherpe scheuren die zich snel voortplanten en tot versplintering leiden. Alumina glas biedt een potentiële oplossing door de voortplanting van scheurtips tijdens hun verspreiding af te remmen, waardoor de kans op breuk kleiner wordt en het glas uiteindelijk sterker en breukbestendiger wordt.

Aluminiumoxide heeft veel gewenste eigenschappen waardoor het een gewild bestanddeel is bij de productie van glas, waaronder zijn ductiliteit. Aluminiumoxide verhoogt de treksterkte, oppervlaktespanning en glans en verlengt het werkbereik, vermindert de neiging tot ontglazing en verhoogt de weerstand tegen zuuraanvallen. Bovendien heeft het een lage dampdruk, expansiesnelheid en is het relatief vrij van onzuiverheden in vergelijking met andere gebruikte materialen.

Het toevoegen van aluminiumoxide aan een glassamenstelling is weliswaar duur, maar vanwege de vele voordelen loont het de moeite. Omdat aluminiumoxide echter onoplosbaar is in silicaatglas, moet het meestal worden toegevoegd als alkalibron in soda-lime-silicaten (SLS'en) en borosilicaten als alkalibron om de smelttemperatuur te verhogen en tegelijkertijd de fysische eigenschappen van slurry's te verbeteren, zoals suspensiekrimp en hulp bij het sinteren.

Aluminiumoxide keramiek is een zeer thermisch en chemisch resistent isolatiemateriaal en kent talloze toepassingen op allerlei gebieden, zoals optische lenzen en ramen, nachtkijkers, neuskegels voor hittezoekende raketten en kogelvrije vesten met een UHMWPE-rug om voldoende ballistische bescherming te bieden tegen bedreigingen door geweren. Aluminiumoxide keramiek speelt ook een belangrijke rol in sommige body armor ontwerpen; hun combinatie met een aramidevezel drager biedt voldoende ballistische bescherming.

Aluminiumoxide kan in veel verschillende producten worden gebruikt, waaronder vuurvaste materialen, keramiek en schuurmiddelen. Aluminiumoxide is een van de meest geproduceerde vormen van aluminiumoxide in de industriële productie met een jaarlijkse productie van meer dan 115 miljoen ton. Aluminiumoxide dient ook als grondstof in veel metallurgische processen en wordt ook gebruikt in de chemische industrie, waaronder de productie van smeermiddelen, polijstmiddelen en glas.

Onderzoekers van de Tampere University of Technology in Finland hebben met succes microscopische films van aluminiumoxide gesynthetiseerd die zeer flexibel zijn en tot wel 8% uitrekken voordat ze breken. Dit cijfer overtreft de rekbaarheidslimiet van siliciumdioxide van 2-2% en bewijst dat aluminiumoxide aanzienlijk buigzamer is dan eerder werd aangenomen.

Het is buigzaam

In tegenstelling tot de brosse eigenschappen van silicaglas, heeft aluminiumoxide glas een hoge ductiliteit. Dit kan worden toegeschreven aan de hogere concentratie aluminiumoxide, waardoor het flexibeler is. Bovendien is het smeltpunt lager dan dat van silica, waardoor het eenvoudiger te bewerken is en het vormen van aluminiumoxide in verschillende vormen een integraal aspect is van de glasproductie.

Aluminiumoxide glas heeft veel toepassingen in lucht- en ruimtevaartmaterialen en glaskeramiek. Het heeft unieke eigenschappen, waaronder een lage uitzettingscoëfficiënt en hoge treksterkte; goede chemische bestendigheid; extreme hardheid; optische transparantie en lage elektrische geleidbaarheid - eigenschappen waardoor het materiaal veel wordt gebruikt in vliegtuigramen/voorruiten van auto's/nachtkijkers/neuskegels van hittezoekende raketten.

Glas kan worden verwerkt tot tal van producten, van containers en flessen tot isolatoren en dunne filmcoatings. Het kan ook worden gesmolten tot dikke platen of dunne filmcoatings; en zelfs worden geblazen tot buizen voor glasvezelcommunicatienetwerken en zonneceltoepassingen. Aluminiumoxide wordt ook gebruikt als onderdeel van keramische vuurvaste materialen of polijstmaterialen, als schuurmiddel of zelfs als brandvertrager.

Glas maken is een ingewikkeld proces. De ingrediënten moeten zorgvuldig worden geselecteerd om een ideaal mengsel van vuurvaste en niet-vuurvaste componenten te verkrijgen. Zand dat wordt gebruikt om glas te vormen moet de juiste percentages magnesia, silica, titania of zink bevatten. Alkali en soda moeten ook in de juiste verhoudingen aanwezig zijn, omdat deze toevoegingen de smelttemperatuur en viscositeit kunnen beïnvloeden en dus ook de taaiheid.

Onderzoekers dachten ooit dat de chemische samenstelling van glas bepaalde of het bros of taai zou zijn, maar recente experimenten hebben het tegendeel aangetoond. Volgens Erkka Frankberg van de Tampere University of Technology in Finland en zijn collega's speelt de structuur een grotere rol. Ze ontdekten dat aluminiumoxide glas flexibel kan zijn onder onbeperkte belastingsomstandigheden; deze bevinding zou wetenschappers kunnen helpen bij het maken van flexibel glas dat niet versplintert bij een botsing.

Het is amorf

Aluminiumoxide glas is een amorfe glassoort die wordt gemaakt van aluminiumsilicaten die aluminiumoxide bevatten. Aluminiumoxide glas is een extreem taai materiaal en is bestand tegen grote belastingen. Deze taaiheid is te danken aan de unieke atomaire structuur die energie afvoert door bindingen te hervormen in plaats van te barsten, in tegenstelling tot silica dat openingen bevat die voorkomen dat de atomen verschuiven wanneer er spanning op komt te staan.

Amorf aluminiumoxide is moeilijk te produceren en wetenschappers hebben moeite om de fysische eigenschappen ervan te begrijpen. Maar moleculaire dynamica simulaties bieden een krachtige manier om de structuren en eigenschappen te bestuderen; moleculaire dynamica simulaties stellen wetenschappers in staat om deze eigenschappen zeer gedetailleerd te bestuderen - inclusief vibrerende analyse van kationgroepen binnen de structuren en stabiliteitsproblemen die zich voordoen tijdens glasvormende processen - wat essentieel inzicht geeft in waarom dergelijke stoffen een uitzonderlijke taaiheid vertonen.

Raman spectroscopie kan een andere nuttige methode zijn voor het karakteriseren van aluminiumoxide. Het onthult de vorming van kristallijne fasen in glaskeramiek en werpt licht op hun gebruik als netwerkmodificatoren en ladingscompensatoren, veranderingen in polymerisatiegraad, fasescheidingen en waterverdeling in aluminosilicaatglas.

Alumina FTIR spectra variëren van 380 tot 630 cm-1 afhankelijk van de fase en de bereidingsmethode, met piekgolflengten die wijzen op drievoudig gecoördineerde zuurstofionen of out-of-plane bewegingen in de moleculen die invloed hebben op de mechanische eigenschappen.

Onderzoekers hebben een innovatief proces ontwikkeld voor de massaproductie van microscopische aluminiumoxidefilms. Met deze techniek, die gebaseerd is op het anodiseren van aluminium in zure oplossingen, kunnen ze aluminium anodiseren met verschillende chemische samenstellingen, poriëngrootten en microstructuren voor verschillende chemische toepassingen; van decoratieve kleuren tot splintervrije schermen.

Poreus anodisch aluminiumoxide is een onmisbaar materiaal in zowel nanotechnologie als glaswetenschappelijke toepassingen, omdat het atomair nauwkeurige modellen biedt voor glasovergangen. Door de soort elektrolyt en het voltage te veranderen, kunnen de atomistische eigenschappen geïdentificeerd en verder bestudeerd worden.