مولایت

چکیده

مولایت( mullite) تنها فاز میانی در سیستم آلومینا- سیلیس است که در فشار اتمسفر، پایدار است. اگرچه این محلول جامد عموما در سرامیک های ساخت بشر وجود دارد، اما این ماده در طبیعت( به عنوان یک مینرال طبیعی) به ندرت مشاهده شده است. هنوز هم مولایت یکی از اجزای اصلی در سرامیک های آلومینوسیلیکاتی است و دارای کاربردهای فراوانی در دیرگدازها است. همچنین وجود این ماده ی معدنی در سفالینه های به جای مانده از میلیون ها سال پیش نیز مشاهده شده است. همزمان با آگاهی یافتن متخصصین از ماهیت این ماده، استفاده های جدید از این ماده در الکترونیک و اپتیک گسترش یافت و از این ماده در محصولات ساختاری دما بالا نیز استفاده شد. بسیاری از ویژگی های این ماده در دمای بالا نسبت به سایر مواد اکسیدی مانند آلومینا بهتر است. فرمول شیمیایی مولایت بسیار ساده است( ). به هر حال پایداری فازی، کریستالوگرافی و استوکیومتری این ماده هنوز هم بحت برانگیز است. به همین دلیل، تحقیقات و بررسی بر روی مولایت، از نقطه نظر تاریخی مورد ارائه شده است تا بدین صورت مطالبی آموزنده برای مهندسین و محققینی فراهم آورده شود که در حال کار بر روی این مواد هستند. در این مقاله تمرکز بر روی مرور مقالاتی است که هدف اولیه ی آنها ایجاد مواد مونولیتیک تک فاز از جنس مولایت بوده است که دانسیته ی آنها نزدیک به دانسیته ی تئوری باشد.

مقدمه

مولایت یک محلول جامد از آلومینا و سیلیس است که عمدتا در سرامیک ها وجود دارد. این ماده در طبیعت به ندرت مشاهده می شود. با توجه به اسناد تاریخی، زمین شناسانی چون آندرسون( Anderson)، ویلسون( Wilson) و تایت( Tait) مولایت معدنی را در کمتر از یک قرن پیش کشف کردند. این سه نفر که نمونه های معدنی را از جریان های آتشفشانی قدیمی اسکاتلند، جمع آوری کرده بودند، افراد خوش شانسی بودند که توانسته بودند برای اولین بار به کانسار طبیعی این ماده ی سرامیکی دست پیدا کنند. نمونه های جمع آوری شده، ابتدا به اشتباه سیلیمانیت( sillimanite) تشخیص داده شدند اما بعدها این ماده به عنوان گروه جدیدی از مواد تقسیم بندی و نامگذاری شد.
به دلیل اینکه مولایت تنها فاز میانی پایدار در سیستم آلومینا- سیلیس در فشار اتمسفر است، این ماده یک ماده ی سرامیکی مهم تلقی می شود. مولایت به صورت شفاف، نیمه شفاف و اپک تولید می شود. این مواد ممکن است در کاربردهای الکترونیک و اپتیکی مورد استفاده قرار گیرند. پایداری دمایی مولایت و طبیعت دیرگدازی این ماده در برخی از کاربردهای ساختاری دما بالا بهتر از کوراندوم( آلومینا) است. یکی دیگر از ویژگی های این ماده ی آلومینوسیلیکاتی ساختار عیوب آن است که در دمای بالا پایدار است. این ساختار ممکن است نشاندهنده ی استفاده ی بالقوه از این ماده در الکترولیت های پیل سوختی است.
در این مقاله، توسعه های انجام شده در زمینه ی مولایت در طی چند دهه ی اخیر مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین یک بخش در مورد ساختار کریستالی و پایداری فازی این ماده ارائه شده است. مطالعه ی این قسمت ها برای خواننده اطلاعاتی در مورد ویژگی های خاص این ماده بیان می کند. بخش بعدی این مقاله در مورد بررسی اثر شیمی فرایند بر روی سنتز و ریزساختار مولایت است. نقش روش های مختلف تولید که موجب تشکیل انواع اصلاح شده از مولایت می شود، مورد بررسی قرار گرفته است.

ساختار کریستالی

الگوهای تفرق بدست آمده از مولایت بسیار مشابه سیلیمانیت است. سیلیمانیت معمولا یک مینرال آلومینوسیلیکاتی است که در فشارهای بالا پایدار است و دارای فرمول شیمیایی است؛ در واقع نسبت یک به یک از سیلیس و آلومینا.
بطور کلی ساختارهای سیلیمانیت و مولایت شامل زنجیره هایی از اکتاهدرال های Al-O هستند که در آنها گوشه ها به طور نامنظم به اشتراک گذاشته شده اند( این اشتراک گذاری در گوشه ها و مرکز هر سلول واحد که موازی محور c است بوقوع پیوسته است). مولایت یک محلول جامد با یک گستره ی ترکیب شیمیایی است. مولایت می تواند غنی از سیلیس( با فرمول شیمیایی و یا غنی از آلومینا باشد( با فرمول شیمیایی ساختار مولایت به صورت خلاصه در جدول 1 آورده شده است. برخی نویسندگان از نسبت یونی آلومینیوم به سیلیسیم در زمان هایی استفاده می کنند که می خواهند در مورد استوکیومتری مولایت صحبت کنند. در این مورد، مولایت 3:2 دارای نسبت یونی Al/Si برابر با 3:1 است. برای جلوگیری از گیج شدن، قراردادی که بیشتر در مقالات مورد استفاده قرار می گیرد، بدین صورت است که استوکیومتری مولایت اغلبا بوسیله ی فرمول نمایش داده می شود. در این فرمول x=0 مربوط به سیلیمانیت، x=0.25 مربوط به مولایت 3:2 و x=0.4 مربوط به مولایت 2:1 است. مطالعات مربوط به نفوذ، نشان داده است که فرمول شیمیایی زیر مناسب تر است، اگر چه این فرمول کمتر در مقالات دیده می شود:

این سمبول  نشاندهنده ی جای خالی اکسیژن است. بالانویش VI و IV به ترتیب نشاندهنده ی محل های کوئوردیناسیون اکتاهدرال وتتراهدرال است.

با افزایش درصد آلومینا، بوسیله ی جایگزین می شود و جاهای خالی آنیون ها( اکسیژن) برای توازن باری مورد ایجاد می شود. تطبیق عیوب ساختاری باعث اعوجاج زیادی در چندوجهی های تشکیل شده از سیلیسیم و آلومینا می شود. این مسئله موجب می شود تا تتراهدرال های آلومینا به طور ضروری به صورت سه خوشه ای های با کمبود اکسیژن آرایش پیدا کنند( سه تتراهدرال اکسیژن منفرد قرار گرفته در گوشه). این خوشه ها از عناصر مشخصه ی ساختار کریستالی مولایت، تشکیل شده اند.
بر خلاف سیلیمانیت، الگوهای تفرق اشعه ی x مولایت دارای تفرق های پراکنده ی بسیار زیادی است و همچنین دارای بازتاب های ابر شبکه ای بیشتری است. نویسندگان گفته اند که مدل های زیادی برای محاسبه ی تفرق غیر عادی مولایت( با استفاده از پالایش ابر شبکه ها، محاسبه ی فاکتور اشغال شوندگی و نقشه برداری جاهای خالی پیوسته ) وجود دارد. در بیشتر این کارها پیشنهاد این است که عیوب تمایل به خوشه ها متمایل هستند و یا با نظم کوتاه برد، در سمت جهت های کریستالوگرافی خاص، قرار دارند. غلظت های پایین تر آلومینا باعث می شود تا تصحیح جهتی کمتری در جاهای خالی اکسیژن بوجود آید یا توزیع جاهای خالی تصادفی بیشتری ایجاد شود. با توجه به کارهای انجام شده بوسیله ی Freimann و Rahman، جاهای خالی اکسیژن تمایل دارند به طور موازی با پارامتر شبکه ای a در ارتباط باشند و کمتر با پارامتر شبکه ای b در ارتباط باشند. این مقاله پیشنهاد می کند که نتایج مربوط به همبستگی می تواند برای تفسیر رفتار انبساط گرمایی مولایت مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان یک قضیه ی عملی باید گفت که پارامتر شبکه ای a به طور خطی با درصد آلومینا در ارتباط است. شکل 1 واحد مولایت را نشان می دهد. مکان های اتمی برای یک ترکیب میانی مولایت که در اینجا x=0.33 می باشد)، در جدول 1 آورده شده است. الگوهای تفرق اشعه ی x که فرایند کریستالی شدن مولایت از پیش ماده های آمورف را نشان می دهد در شکل 2 آورده شده است.

این باید مد نظر قرار گیرد که شواهدی در مورد تشکیل مولایت در نواحی از دیاگرام فازی، وجود ندارد که در آن ترکیب شیمیایی بین مولایت 3:2 و سیلیمانیت است. به عبارت دیگر، فرمول شیمیایی مولایتی نمی تواند مقادیر x را به نحوه ای تطبیق دهد که در آن 0<x<0.25 باشد. اگر چه حضور یک اسپینل مکعبی با ساختار و استوکیومتری مشابه با مولایت 2:1 گزارش شده است، حضور آن به صورت دانشگاهی ثابت شده است و ارزش تجربی ندارد. در اصل چیزی که گزارش شده است، این است که یک فاز تتراگونال از مولایت3:1 که بوسیله ی کوینچ سریع مذاب تولید شده است، می تواند دارای ساختار ارتورمبیک معمولی با دوقلویی های فروان باشد. به عبارت دیگر، اخیرا این گزارش شده است که فازهای مولایت از نسبت های آلومینا به سیلیس بزرگتر و برابر با 9 به 1 ایجاد شده اند. این ترکیبات به طور بالقوه در کاربردهای دیرگداز مفید هستند زیرا مقادیر آلومینا در آنها بالاست. بدبختانه این اثبات شده است که تولید مولایت با کیفیت و خلوص بالا که دارای مقادیر بسیار بالای آلومیناست، مشکل است. قبل از استفاده ی عملی از این مواد، تحقیقات دیگر مورد نیاز می باشد.

پایداری فازی

یک جنبه ی تاریخی مورد توجه که ممکن است برای مهندسین و محققین مفید باشد، این است که اولین تفسیر از رفتار این ماده ممکن است نتایجی را در شرایط غیر تعادلی ارائه کند که اغلبا در شرایط تولید عملی قابل انجام نمی باشد.
سرامیک های بر پایه ی مولایت به طور گسترده ای در محصولات دیرگداز و سفالینه های باقی مانده از زمان های دور، وجود دارد. اگر چه تکنولوژی استفاده از مولایت کامل تر شده است، هنوز هم سوالاتی در مورد رفتار ذوب شدن و شکل مرزدانه ها در دیاگرام فازی وجود دارد. در سال 1924، Bown و Grieg اولین دیاگرام فازی را منتشر کردند که در آن فاز مولایت به عنوان یک فاز پایدار در نظر گرفته شده بود؛ اما در این نمودار گستره ی محلول جامد نشان داده نشده بود. فاز به طور نامتجانس در دمای 1810 درجه ی سانتیگراد ذوب می شود. نمونه هایی از مخلوط آلومینا و سیلیس که به طور مکانیکی مخلوط شده بودند، ذوب شده و در هوا خنک شد. Shears و Archibald حضور یک گستره ی محلول جامد( گستره ای از مولایت 3:2 تا مولایت 2:1) را درسال 1954 گزارش داده اند. دیاگرام فازی آنها به گونه ای بود که در آن یک انتقال در خط سالیدوس مولایت ایجاد شده بود به گونه ای که این انتقال به سمت غلظت های بالاتر آلومینا در دماهای بالاتر از دمای یوتکتیک سیلیس- مولایت بود.
در سال 1958، Galakhov و Toropov یک دیاگرام فازی ارائه کردند که در آن مولایت به طور متجانس در دمای 1850 درجه ی سانتگیراد ذوب می شد. Aramaki و Roy در سال 1962 دیاگرام فازی را منتشر کردند که در آن یک نقطه ی ذوب شدن متجانس را برای مولایت( در دمای 1850 درجه ی سانتگیراد) گزارش داده بودند. نمونه های مورد استفاده در عملیات های حرارتی از ژل تهیه شده بودند، در حالی که مخلوط نمودن مکانیکی آلفا آلومینا و شیشه ی سیلیسی برای عمیات حرارتی بالای دمای سالیدوس آماده سازی شد. نمونه ها به منظور جلوگیری از تبخیر سیلیس، کپسوله گردید. دمای 1595 درجه ی سانتیگراد به عنوان دمای یوتکتیک سیلیس- مولایت و دمای 1840 درجه ی سانتیگراد به عنوان دمای یوتکتیک مولایت آلومینا گزارش شده است. هیچ انتقالی در مرز فازی سالیدوس مولایت نسبت به دما، در دو گزارش بالا آورده نشده است.
در طی دهه ی بعدی، Aksay و Pask دیاگرام فازی متفاوتی را ارائه کردند که در آن ذوب شدن نامتجانس مولایت در دمای 1828 درجه ی سانتیگراد گزارش گردید. نمونه ها در کار این افراد به شکل کوپل های نفوذی میان یاقوت کبود و شیشه ی آلومینوسیلیکاتی بود. این کوپل کپسوله شده بود تا بدین صورت از تبخیر سیلیس جلوگیری گردد. بسیاری از محققین پیشنهاد کردند که جوانه زنی و رشد مولایت در داخل یک فاز سیلیسی غنی از آلومینا رخ می دهد که در میان ذرات سیلیس و آلومینا قرار گرفته است. به عبارت دیگر، Davis و Pask و بعدها Aksay و Pask رشد کوهیرنت مولایت برروی یاقوت کبود را در گستره ی دمایی از 1600 تا 1800 درجه ی سانتیگراد را مشاهده کردند. این مسئله نشاندهنده ی این است که نفوذ داخلی یون های آلومینیوم و سیلیسیم در داخل مولایت رخ می دهد. بعدها Risbud و Pasl این دیاگرام را اصلاح کردند و ناحیه ی فازی نیمه پایدار را به آن اضافه نمودند. آنها نشان دادند که دمای یوتکتیک سیلیس- مولایت برابر 1587 درجه ی سانتیگراد است. یک بخش گنبدی شکل و غیر قابل امتزاج با ناحیه ی اسپینودالی تقریبا در ناحیه ی دارای 7 تا 55 % آلومینا مشاهده گردیده است. این بخش گنبدی شکل دارای ترکیب میانی 35% آلومیناست و امتزاج کامل در نزدیکی دمای 1550 درجه ی سانتیگراد رخ می دهد( دمایی کمتر از دمای یوتکتیک مولایت). یک استحاله ی پری تکتیک پایدار از آلومینا- مولایت در دمای 1828 درجه ی سانتیگراد گزارش شده است. ترکیبات نیمه پایدار از مولایت به سمت غلظت های بالاتر آلومینا شیفت پیدا کرده اند. برای محاسبه ی ناپایداری، این مقاله پیشنهاد می کند، که احتمالا یک سد برای رسوب دهی آلومینا در بخش مذاب و بخش مولایتی وجود دارد و در این حالت مولایت به حالت بیش از حد گرم شده، تبدیل می گردد. شکل 3 این دیاگرام فازی را که در آن نواحی نیمه پایداری مشخص شده اند را نشان داده است.


در سال 1987، Klug و همکارانش دیاگرام فازی جدیدی را برای سیستم گزارش کردند. آنها ذوب شدن نامتجانس را برای مولایت در دمای 1890 گزارش کردند و هر دو مرز ناحیه ی محلول جامد مولایت را به سمت درصد های بیشتر آلومین( مولایت 2:1) ا انتقال دادند( در دماهایی بالاتراز نقطه ی یوتکتیک 1587 درجه ی سانتیگرادی). به نظر می رسد این دیاگرام فازی بیشتر پدیده های رخ داده در سایر کارها انجام شده بر روی سیستم را پوشش داده است. ظاهرا مشاهدات ناسازگاری که به پایداری فازی نمونه های تولید شده با روش یکسان، مربوط می شود، به طور متقاعد کننده ای به شرایط غیر تعادلی و یا تبخیر سیلیس مربوط است( شکل 4).


به نظر می رسد که تنها فاز نیمه پایدار در دمای اتاق، مولایت 2:1 است و دماها و یا سیکل های دمایی بالا ممکن است باعث شود برخی از آلومیناها رسوب کنند. به هر حال Pask پیشنهاد کرد که اختلافات در رفتار مشاهده شده در مولایت می تواند به دلیل حضور و یا عدم حضور آلفا آلومینا در مواد اولیه باشد. مهندسین و محققینی که به دیاگرام فازی مناسب توجه می کنند، به روش ها و شرایط عملی می رسند. این باید مورد توجه قرار گیرد که در فشارهای تکتونیک، از مولایت جدایش پیدا می کند و یک ترکیب با فرمول استوکیومتری بوجود می آید. بسته به دما و فشار، این ترکیب می تواند سیلمانیت، کیانیت و یا آندولوسیت باشد.

فرایند ها و کاربردها

همانگونه که در بخش قبلی گفته شد، تشکیل، خلوص فازی و مورفولوژی مولایت به پیش ماده های اولیه و فرایند تولید بستگی دارد. مولایت اولین بار در محصولات رسی حرارت داده شده مشاهده شد. در این محصولات رسی، ترکیبی با نسبت مولی آلومینا به سیلیس 3 به 2 تولید شده بود. واکنش های بوجود آمده در این بدنه ها به صورت زیر است:

کوراندوم اضافی ممکن است اضافه گردد و این سیستم در دماهای بالا به گونه ای حرارت دهی می شود که مقدار سیلیس آزاد مینیمم باشد. بدین منظور، Goski و Caley دانه هایی معلق شده از مینرال کیانیت( یک فرم دما بالا از ) و آلومینای زیر میکرون در آب را به عنوان ماده ی اولیه ی تولید مولایت مطرح کردند. سوسپانسیون کیانیت- آلومینا به صورت بدنه ریخته گری می گردد و سپس با زینترینگ واکنشی به شکل کامپوزیت آلومینا- مولایتی تبدیل می شود. با توجه به دیاگرام های فازی، زمانی که زینترینگ در دمایی بالاتر از دمای یوتکتیک( 1587 درجه ی سانتیگراد) انجام شود، یک فاز شیشه ای غنی از سیلیس در مولایت 3:2 تشکیل می شود. بسیاری از محصولات مولایتی 3:2 در دمایی بین 1600 تا 1700 درجه ی سانتیگراد زینتر می شوند و ممکن است دارای فاز شیشه ای در ریزساختارشان باشند.
مواد مونولیتیک مولایتی با خلوص بالا که در آن فاز شیشه ای وجود ندارد، حداقل به سه روش سنتی زیر بدست می آیند:
مواد اولیه ی دارای آلومینا با استوکیومتری نزدیک به مولایت 2:1 ممکن است به طور کامل در بالای دمای 1960 درجه ی سانتیگراد ذوب شده و سپس در دمای 1890 درجه ی سانتیگراد بدون کریستالی شدن، سرد شود. در دمای آخری( در ناحیه ی محلول جامد انتقال یافته)، تک کریستال های مولایت با ویژگی شفافیت در برابر نور مادون قرمز را می توان به روش Czochralski تولید نمود.
Pask تولید مولایتی با نسبت های مولی آلومینا به سیلیس بالا( یعنی بزرگتر از 3:1) را بوسیله ی ذوب هموژن مواد تشکیل دهنده ی آن در دمایی بالاتر از دمای ذوب آنها و سرد کردن متعاقب، گزارش کرده است. به عنوان یک نکته باید گفت، مولایت ها تولید شده بوسیله ی نفوذ، عموما ضعیف تر از آنهایی هستند که با روش زینترینگ تولید شده اند.
پودر مولایت که با روش های مختلفی تولید شده است، می تواند ابتدا در نزدیکی دمای 1200 درجه ی سانتیگراد کریستالی گردد و سپس در دمایی زیر دمای یوتکتیک آن زینتر گردد. مولایت با خلوص بالا و کامپوزیت های مولایتی با استفاده از پرس گرم زیر دمای 1300 درجه ی سانتیگراد و با استفاده از این روش تولید می شوند.
وقتی فرایند در نزدیکی دمای یوتکتیک و یا بالاتر از آن رخ می دهد( تقریبا در دمای 1590 درجه ی سانتیگراد)، مولایت با ترکیب شیمیایی بالکی تولید می شود که کمتر از 72% وزنی آلومینا دارد( مولایت 3:2). این ماده دارای یک ریزساختار با دانه های کشیده است. این اعتقاد وجود دارد که این ریزساختار به دلیل حضور یک فاز شیشه ای ثانویه حاصل شده است. برای غلظت های آلومینای بزرگتر از 72% وزنی، مقدار فاز شیشه ای کم می باشد و در اصل دانه های مولایت تشکیل شده مشابه هستند و به صورت هم محور هستند. عملیات حرارتی دیگر باعث رشد سریع دانه ها می شوند؛ که این رشد بوسیله ی یک کاهش در ناحیه ی مرزدانه ای مربوط به دانه های کوچک، تحریک می شود. این مسئله منجر می شود تا رشد سریعی در دانه های در جهت محور c اتفاق افتد و همچنین باعث می شود تا نسبت طول به عرض بزرگتر ی در دانه ها ایجاد شود. بعد از این، کاهش سریع در نیروی محرکه موجب می شود، رشد دانه ها آهسته تر شود و کاهش کلی در انرژی آزاد سیستم نشاندهنده ی توسعه ی یک ریزساختار با هم محوریت( equiaxial) بیشتر است.
یک روش جالب در تولید پودر مولایت از طریق سنتز احتراقی انجام می شود. یک مخلوط هموژن اکسایش- کاهش آبی که دارای نیترید آلومینیوم، دوده ی سیلیسی و اوره است، با نسبت معین مخلوط می گردد. وقتی این مخلوط به سرعت تا دمای 500 درجه ی سانتیگراد حرارت دهی گردد، مخلوط به جوش می آید، کف می کند و می تواند با استفاده از شعله، آتش بگیرد. این فرایند پودر مولایت با کریستالینیتی ضعیف، را در کمتر از 5 دقیقه تولید می کند. مولایت با کریستالینیتی کامل را می توان با استفاده از مقادیراضافی اکسید کننده مانند آمونیوم پرکلرات، تولید کرد.
کارهای اخیر در زمینه ی تولید مولایت بر روی فرایند های سل- ژل تمرکز کرده است. در این روش توانایی کنترل توزیع محلی و هموژنیته ی مواد اولیه وجود دارد. ریزساختار یک مولایت تولید شده با روش سل ژل در شکل 5 آورده شده است. با توجه به کینتک واکنش، روش تولید سل ژل برای تولید مواد بالک، لایه های نازک و یا الیاف مولایتی( با خلوص فازی، توزیع فازی و مورفولوژی معین)، مناسب به نظر می رسد.


سه گروه از ژل ها معمولا تولید می شوند. ژل های تک فاز مورد استفاده در تولید مولایت( نوع 1) دارای میزان مخلوط شوندگی هموژن در سطح اتمی. مواد اولیه ی تولید مولایت های غنی از آلومینا که در دمای 980 درجه ی سانتیگراد به همان روش قبلی حرارت دهی و سرد می شود( تولید شیشه های آلومینوسیلیکاتی). این روش از هیدرولیز همزمان مواد دارای آلومینیوم و سیلیسیم، استفاده می کند. برای مثال زیروژل های نوع اول می توانند از تترااتیل اورتوسیلیکات( TEOS) یا تترا متیل اورتوسیلیکات( TMOS) و آلومینیوم نیترات نوناهیدرات، تولید شوند. ژل های دو فازی( نوع دوم) از ترکیب دو ژل با مخلوط شوندگی در سطح نانومتری، ایجاد می شوند. این ژل ها بعد از خشک شدن دارای بوهومیت و سیلیس نانوکریستالی هستند که در دمای تقریبی 350 درجه ی سانتیگراد به گاما آلومینا و سیلیس نانوکریستالی تبدیل می شوند. یک مثال از یک ژل نوع دوم از مخلوطی از بوهومیت با ژل TEOS یا TMOS است. ژل های دو فازی نوع سوم شامل مواد اولیه ای هستند که تا دمای 980 درجه ی سانتیگراد، نانوکریستالی هستند و سپس به گاما آلومینا و سیلیس نانوکریستالی تبدیل می شوند.
عملیات های حرارتی متعاقب از این سه نوع ژل باعث تولید ساختارهای مختلفی می شود( حتی اگر نسبت های مولی آلومینا- سیلیس برابر باشد. تولید مولایت از پودر یا ژل های دوتایی منجر به ایجاد سرعت نفوذ کنترل شده می شود. در مورد ژل های مونولیتیک، تبدیل از حالت آمورف به فاز کریستالی نشاندهنده ی این است که با استفاده از روش مونولیتیک، بدست آوردن دانه های مولایتی بسیار ریز مشکل است. به هر حال برخی از تحقیقات به طور موفقیت آمیز توانسته اند یک چنین مواد مونولیتیکی را تولید کنند. زیروژل های تک فازی با هیدرولیز آهسته ی( به مدت 4 الی 6 ماه) محلول های هگزانی از آلومینیوم بوتاکسید و TMOS، تولید می شوند. این مواد در کاربردهای اپتیکی مورد استفاده قرار می گیرند. ژل در گستره ی دمایی 1000 تا 1400 درجه ی سانتیگراد حرارت دهی می شوند تا یک ماده ی کریستالی دانس با ویژگی های مکانیکی مشابه با شیشه( شکست ترد و با پستی و بلندی، اشاعه ی سریع ترک در آن و شواهد اندک در زمینه ی شکست بین دانه ای)، تشکیل شود.
با استفاده از هسته زاها در مواد اولیه ی سل ژل، می توان مکان های جوانه زنی فراهم نمود تا بدین صورت روشی برای تولید مواد مونولیتیک با اندازه ی دانه ی ریز پدید آید. از این مواد مونولیتیک با اندازه ی دانه ی ریز در کاربردهای اپتیکی استفاده می شود. در اصل به محض حرارت دهی، ژلی متشکل از بوهومیت کلوییدی و ژل سیلیس با ژل آلومینیوم نیترات پلیمری و TEOS( یک ترکیب از ژل نوع اول و دوم)، تمایل به کریستالی شدن و تشکیل کریستال های دانه ای مولایت را دارد. جوانه زنی همواپیتاکسی در طی عملیات حرارتی مداوم باعث تشکیل مواد مونولیتیک مولایتی می شود. استفاده از ژل های پلیمری در دمای 1375 درجه ی سانتیگراد، باعث افزایش فرکانس جوانه زنی با یک فاکتور 1000 می شود و یک کاهش در اندازه ی دانه های دما بالا( 1550 درجه ی سانتیگراد) از 1.4 به 0.4 میکرون اتفاق می افتد( میزان تخلخل در این فرایند صفر یا نزدیک به صفراست).
MacKenzie و همکارانش ژل های نوع اول را برای تعیین نقش دمای عملیات حرارتی اولیه را بر روی ریزساختار مولایت حاصله، اماده سازی کردند. آنها فهمیدند که یک دمای بهینه ی عملیات حرارتی اولیه در حدود 250 تا 350 درجه ی سانتیگراد برای یک دوره ی زمانی طولانی، باعث می شود تا یک غلظت بهینه ازمولایت در محصول نهایی حاصل گردد. به طور هم زمان، یک افزایش در طیف رزونانس مغناطیسی آلومینیوم 27 در حدود 30 ppm بوجود می آید. سیگنال 30 ppm آلومینیوم اغلبا به دلیل کوئوردیناسیون 5 تایی آلومینیوم بوجود آمده است. این کوئوردیناسیون 5 تایی آلومینیوم ممکن است در مواد اولیه ی تولید ژل مولایتی وجود داشته باشد( در سطح مشترک میان میکرو دمین های غنی از سیلیسیم و میکرو دمین های غنی از آلومینیوم). MacKenzie و همکارانش این سیگنال از آلومینیوم را به آلومینیوم تتراهدرال واپیچیده شده نسبت داده اند که در ناحیه ی خوشه های سه گانه ی دارای کمبود اکسیژن، قرار دارند. آنها به این نکته اشاره کردند که این سیگنال قبل از ایجاد مولایت اولیه، به طورقابل توجهی، تقویت می شود. این مسئله همچنین باید مد نظر قرار گیرد که باقیمانده های آلی و گروه های هیدروکسیل در بالاتر از دمای 900 درجه نیز وجود دارند. با توجه به آنالیزهای انجام شده، حضور این گروه ها در سیستم در دماهای بالا، می تواند بر روی تغییر ساختاری ژل تأثیر گذار باشد( در واقع حضور این گروه ها موجب می شود تا کاهش های محلی و یا اتمسفر مرطوب، تشکیل خوشه های سه گانه را تسهیل کند). این محل ها می تواند بر تشکیل مولایت ثانویه تأثیر گذار باشد زیرا آنها عنصر ضروری برای تشکیل ساختار مولایت را فراهم می کنند. از لحاظ طبیعت خوشه های سه گانه( triclusters)، Schmueker و Schneider پیشنهاد کردند که خوشه های سه گانه ی از تتراهدرال ممکن است بار اضافی موجود در شبکه را خنثی کند( این بار به دلیل جایگزینی بوجود آمده است). سدیم دپ شده در داخل ژل های آلومینوسیلیکاتی ممکن است همچنین این بارهای اضافی را خنثی کند. برای این سیستم، تشکیل خوشه های سه گانه برای زمان زیادی نیاز نمی باشد و یک افت قابل توجه در پیک 30 ppm آلومینیم مشاهده می شود.
مولایت شفاف قابلیت استفاده در کاربردهای اپتیکی را دارد. با یک اتلاف تفرق کمتر از 0.01 cm-1 ، این ماده می تواند گزینه ی مناسبی برای استفاده در پنجره های شفافی باشد که در گستره ی مادون قرمز متوسط( طول موج 3-5 µm) کار می کنند. علاوه بر این وقتی شیشه سرامیک های مولایتی با افزودن تولید شود، تفاوت های قابل توجهی در طیف لومینسانس میان فازهای شیشه ی و کریستالی مولایت مشاهده می گردد. با استفاده از این فرایند کریستالیزاسیون، بازده کوانتمی لومینسانس از کمتر از 1% به حدود 30 % افزایش می یابد. تحقیقات دیگر برای بررسی شرایط مولایت به عنوان ماده ی مورد استفاه در کاربردهای لیزر انرژی بالا، ضروری است.

ویژگی های مواد انتخاب شده

استفاده از پودرهای مولایت با خلوص بالا و با اندازه ی ذرات ریز و روش های جدید، این مسئله را ممکن می سازند که مولایت پلی کریستال با دانسیته ی بالا تولید کرد. این بدنه های تولیدی دارای مقاومت بالا در برابر تغییر شکل هستند و سختی آنها در دماهای بالا بیشتر از سایر مواد سرامیکی مانند آلومینا است. مولایت دارای پایداری شیمیایی خوبی است. این ماده دارای ساختاری با جاهای خالی اکسیژن است که وضعیت این جاهای خالی اکسیژن تا دمای ذوب آن به دما بستگی ندارد. این مسئله موجب شده است تا مولایت یک ماده ی مقاوم در برابر خزش باشد. این مسئله را باید متذکر شویم که اکثر مطالعاتی که بر روی ویژگی های مکانیکی مولایت انجام شده است، بر روی اندازه گیری استحکام یا تغییر شکل خزشی تحت شرایط آزمون خمشی 4 نقطه ای یا فشار تحت بار استاتیک، تمرکز دارد. این رویه ی آزمون به عنوان یک ارزیابی اولیه بر روی استحکام شکست و مقاومت در برابر خزش مفید می باشد اما پیچیدگی تنش ها، تفسیر اثر متغیرهای ماده بر روی مکانیزم های خزش را با مشکل مواجه می کند. با اینحال با توجه به یکی از این مطالعات، خزش ممکن است بوسیله ی یک مکانیزم نفوذی ایجاد شده در دانه های با اندازه ی کمتر از 1.5 µm، در تنش های کمتر از 100 MPa ( در دمایی بین 1365 و 1480 درجه ی سانتیگراد)، حاصل شود. انرژی اکتیواسیون بالا( 810 KJ mol-1) برای این فرایند بدست آمده است. استفاده از مواد با اندازه های دانه ی بزرگتر و تنش های بالاتر باعث می شود که خزش با رشد ترک آهسته تر رخ می دهد. ویژگی های مکانیکی انتخاب شده در جدول 2 آورده شده است. عموما مقاومت به خزش با دمای زینترینگ، افزایش می یابد؛ در حالی که استحکام پیچشی کاهش می یابد.
مولایت با داشتن رسانش گرمایی کم و ضریب برای استفاده در کاربردهای دیرگداز مناسب می باشد. با توجه به کار Schneider ، بیشتر مولایت ها دارای انبساط حرارتی غیر خطی هستند و مقدار آن نیز کوچک است، اما در دماهای بالاتر از 300 درجه ی سانتیگراد، این انبساط بزرگ و خطی است. انبساط گرمایی حجمی با افزایش درصد آلومینا، کاهش می یابد و آن- ایزوتروپی انبساط حرارتی نیز به طور همزمان کاهش می یابد.
این معلوم شده است که مولایت دارای ساختار معیوب است؛ این مسئله ممکن است موجب ایجاد رسانایی یونی گردد. Rommerskirchen و همکارانش فهیمدند که مولایت دارای رسانایی یونی فوق العاده ای است این ماده به منظور استفاده در الکترولیت های جامد زیرکونیای پایدار شده با اکسید کلسیم، مناسب است( دمای کاری این پیل ها 1400 تا 1600 درجه ی سانتیگراد است). ضریب خود نفوذی اکسیژن در گستره ی دمایی 1100 تا 1300 درجه ی سانتیگراد برای تک کریستال مولایت 3:2 با فرمول زیر بدست می آید:

ضریب نفوذ مرزدانه ای در این ماده تقریبا 5 برابر بزرگتر از نفوذ حجمی در همان گستره ی دمایی ذکر شده، می باشد. انرژی اکتیواسیون برای نفوذ مرزدانه ای برابر 363 KJ mol-1 است. این مقدار بسیار مشابه مقدار انرژی اکتیواسیون در نفوذ حجمی است.
انرژی اکتیواسیون برای نفوذ سیلیسیم در طی تشکیل مولایت از کوپل های فیوزد( در دمایی در گستره ی 1600 تا 1800 درجه ی سانتیگراد)، در گستره ی 730 و 780 کیلو ژول بر مول است. این ایده پیشنهاد شده است که ضرایب نفوذ Al3+ در دماهای بیشتر از دمای یوتکتیک مولایت- سیلیس، بزرگتر از ضرایب سیلیسیم است.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.