Реферат: Стеклокристаллические материлы (ситаллы)

                                                 Введение

     Миллионы летназад огненная лава, выброшенная на поверхность земли в виде стекловидноймассы, застывая при разных условиях, превращалась в естественные камни — граниты, трахиты, вулканический пепел и др. Этот процесс протекал стихийно,поэтому по своим свойствам различные камни резко отличаются друг от друга. Вдальнейшем ученые нашли пути управления процессами кристаллизации расплавов, вчастности, стекла, и разработали технологию получения так называемых ситаллов,позволяющую превращать стекло в прочнейший материал. В 1950-х гг. директоротделения фундаментальных исследований по химии компании «Дау Корнинг» вНью-Йорке Дональд Стукей открыл способ стимулирования процесса кристаллизациистекла с целью получения новых ценных материалов из «расстеклованной массы». Сэтого времени процесс кристаллизации стекла, известный как самопроизвольный(или спонтанный) и приносивший большие потери на производстве, стал управляемыми направленным. В 1953 г. Дональд Стукей опубликовал статью о механизированномпроизводстве новых материалов, и уже в 1957 г. он получил ряд патентов на ихизготовление. Первое официальное сообщение о создании новой отрасли попревращению стекла в тонкокристаллическую «стеклокерамику» было сделано фирмой«Дау Корнинг» 23 мая 1957 г.

     Новыйматериал, названный «пирокерам», по существу представляет собой кристаллическийматериал, полученный из незакристаллизованного стекла. Метод получения новогоматериала заключался в следующем: шихта, содержащая один или несколькоядрообразующих веществ (нуклеаторов), подвергалась плавлению, затем выработке иохлаждению. Соответствующая тепловая обработка изготовленного изделия вызывалаобразование ядрообразующих зародышей в виде биллионов субмикроскопическихкристаллов в 1 мм3 пирокерама. Каждый такой кристаллит становился центром ростакристаллов при дальнейшем нагревании. Благодаря разнообразию химическогосостава исходных стекол и методов тепловой обработки пирокерам обладал разнымисвойствами. В связи с исследованиями в области новых материалов рождалась новаятерминология и обсуждалась пригодность давно известных терминов применительно кизучаемым материалам и технологиям их изготовления. В ходе первых работ постеклокристаллическим материалам многие исследователи давали им свои местные,«фирменные», названия. Например, фирма «Дау Корнинг» дала этому материалуназвание «пирокерам». Затем были выпущены его модификации под названиями«пирофлам», «центура», «фотокерам» и др. В Англии использовались названия«пиросил», «слагцерам». В Польше в зависимости от технологии изготовления — «силитал», «квазикерам», «шлаковый квазикерам». В СССР подобные силикатныеполикристаллические материалы получили названия «ситаллы» или «шлакоситаллы».Помимо общности технологий производства, эти материалы объединяло еще и особоесочетание стеклообразной и кристаллической фаз, а также химическаякремнекислородная природа.

    Ситаллыподразделяются на фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы.В отличие от обычных стекол, свойства которогоопределяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значениеимеет структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается вих исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллическойструктуре. Свойство ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует вязкаяпористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большаяабразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.
Плотность ситаллов лежит в пределах 2400-2950 кг/м3, прочность приизгибе – 70-350 МПа, временное сопротивление – 112-161 МПа, сопротивлениесжатию – 7000-2000 МПа. Модуль упругости 84 – 141Гпа. Прочность ситалловзависит от температуры. Твердость их близка к твердости закаленной стали ( V — 7000-10500 МПа). Они весьма износостойки (fтр = 0,07-0,19).Коэффициент линейного расширения лежит в пределах (7– 300) 10-7 с-1. По теплопроводности ситаллы в результате повышенной плотности превосходятстекла. Термостойкость высокая  t = 50 -9000С. Применениеситаллов определяется их свойствами.

/>Производство ситаллов

   Ситаллы/> представляют собой стеклокристаллические (микрокристаллические) материалы, получаемые путем направленной (катализированной) кристаллизации стекол специальных составов, протекающей в объеме заранее отформованного изделия. Ситаллы состоят из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе.

       Главная особенность ситаллов — тонкозернистая равномерная стеклокристаллическая структура, обусловливающаясочетание высокой твердости и механической прочности с отличными электроизоляционными свойствами, высокой температурой размягчения, хорошей термической и химической стойкостью. В ситаллах, изготовленных из светочувствительных стекол, получают непрозрачные белые или цветные трехмерные изображения.Различная растворимость кристаллической и прозрачной стекловидной фаз открывает возможности получения выпуклого изображения и производства из фотоситаллов технических изделий с сеткой прецизионно выполненных отверстий любого сечения.

   Термическая устойчивость ситаллов обеспечивается очень небольшими, а иногда и отрицательными (от -7 10-7 до +3 10-7) коэффициентами термического расширения. Оптическое кварцевое стекло может быть заменено прозрачными ситаллами, которые имеют перед ним то преимущество, что в силу малых коэффициентов теплового расширения они нечувствительны к тепловым ударам. Прозрачность связана с размером кристаллов, меньшим длины полуволны видимого света (сотые доли />м), и близостью показателей их преломления к стекловидной фазе. Светочувствительные стекла и фотоситаллы находят широкое применение в микроэлектронике, ракетной технике, космосе, оптике, полиграфии и бытовых приборах. Так, из фоточувствительного стекла получены матрицы для газоразрядных приборов, фотокерам для изготовления плат печатного монтажа, из фотоситалла — перфорированные диски, применяемые в катодно-лучевых трубках и т.д.

   Технология ситаллов включает стадии  варки стекла,  формовки изделий и  специальной термической обработки.

   Технические ситаллы получают на основе искусственных шихт тех частей силикатных систем, в которых кристаллизуются фазы, обладающие заданными свойствами. Для термостойких ситаллов такими фазами являются кордиерит, сподумен LiAlSi2O6, эвкриптит LiAlSiO4; для высокопрочных — шпинель, муллит; для диэлектриков -кордиерит, диопсид, волластонит и т.д. Такие свойства, как плотность, коэффициент термического расширения, теплопроводность, модуль упругости и диэлектрическая проницаемость зависят от свойств фаз и аддитивно меняются с изменением содержаний этих фаз. Поэтому важнейшую задачу технической петрологии составляет изучение диаграмм состояния соответствующих систем. На фазовый состав ситаллов влияют малые (до 1,5%) добавки модификаторов (Na, K, Ca, Ba и др.), стеклообразователей (В, Р и др.) и окислов промежуточного типа, введение которых не меняет состав основных фаз, но заметно увеличивает или снижает их содержание. Необходимыми добавками являются вещества, служащие катализаторами и центрами кристаллизации стекол.

   В качестве последних применяются: металлические Au, Ag, Cu, Pt, Pd в количествах от сотых до десятых долей %; окисные TiO2, P2O5, Cr2O3, ZrO2, ZnO и др. (первые %), фторидные Na3AlF6, Na2SiF6, CaF2 и др. (обязательно совместно с Al2O3), сера или сульфаты с добавкой кокса, сульфиды. В состав фотоситаллов вводят в качестве светочувствительных добавок Au, Ag, Cu в сочетании с сенсибилизаторами. Сенсибилизаторы — вещества, способствующие более полному протеканию фотохимических процессов — повышению фоточувствительности с образованием скрытого поверхностного изображения. При получении фотохромных и других светочувствительных стекол в качестве сенсибилизаторов используются GeO2, одновалентное золото, сернистые соединения щелочных металлов и др. Применение элементов платиновой группы (Pt, Re, Pd, Os, Ir) не требует присутствия сенсибилизаторов.

   С целью удешевления производства и комплексного использования сырья для изготовления ситаллов привлечены: доменный шлак вместе с кварцевым песком — для получения шлакоситаллов; магматические эффузивные и интрузивные горные породы основного состава (базальты, габбро, траппы), метаморфические породы (тремолитовые и тальковые сланцы), осадочные породы (лессовые суглинки, известковая глина), нефелиновый концентрат — для получения петроситаллов. Оценка пригодности шлаков и горных пород для этих целей наиболее просто и эффективно осуществляется петрографическими методами по их минеральному составу. Не последнюю роль играют знания петрохимических особенностей и использование возможностей методов петрохимических пересчетов.

/>

   Главной в технологии ситаллов является двухстадийнаятермообработка/>. Первая стадия — образования центров кристаллизации — осуществляется для большинства составов шихт выдержкой при температуре, оптимальной для этого процесса. Для фотоситаллов изделия после отжига облучают ультрафиолетовыми, рентгеновскими или /> — лучами. Проявление скрытого изображения происходит при нагревании стекол в интервале между температурой размягчения и отжига в течение 8 — 60 мин. Далее термообработка продолжается при более высоких температурах для завершения процесса кристаллизации и получения ситалла. На второй стадии изделия отжигают при температуре, наиболее благоприятной для роста кристаллов.

   Жаропрочность, электропроводность, механическая прочность зависят не только от свойств фаз, но в большей степени от структуры и потому не являются аддитивными. Плотная микростуктура обеспечивает высокую твердость и сопротивление абразивному износу. Повышение степени закристаллизованности увеличивает модуль упругости. Улучшению механических, термических, электроизоляционных свойств материала и химической стойкости способствует низкое содержание стекловидной фазы.

   Хотя контроль за фазовым составом и структурой в связи с тонкозернистостью ситаллов осуществляется в основном методами рентгенофазового анализа и электронной микроскопии, при активном участии петрологов проводится исследование кинетики зародышеобразования и роста кристаллов, являющихся теоретической основой главных стадий производства ситаллов.

   Вопросы переохлаждения расплавов не чужды петрологии. Рассмотренные закономерности служат основой объяснения образования природных стекол и ряда мелкозернистых структур при магматических процессах, в частности оторочек малоглубинных интрузивных тел. Существенны они и для методики закалки при проведении эксперимента.

Применениеситаллов

   Синтезситаллов может быть осуществлен с учетом заранее заданных свойств. Благодаряэтому ситаллы могут отличаться каким-либо одним главным свойством, например,механической или термической прочностью, химической устойчивостью,износостойкостью, прозрачностью и др., или обладать комплексом необходимыхсвойств. Это предопределило широкий спектр использования этих кристаллическихматериалов. В промышленных масштабах ситаллы стали широко использовать с начала1960-х гг. Сегодня они широко используются в промышленности в качествеоблицовочного материала, элементов слоистых панелей в конструкциях промышленныхзданий. Незаменим ситалл и в быту. Из него изготавливают жаропрочнуюхозяйственную посуду — кастрюли, жаровни, сотейники. Стеклокерамику применяют вавиационной промышленности, например, в обтекателях ракет. Очень большоераспространение в химическом машиностроении получили стеклокристаллическиепокрытия, наносимые на поверхность различных металлов для защиты их откоррозии, окисления и износа при обычных и повышенных температурах. Напредприятиях химической, коксохимической и нефтеперерабатывающей отраслейпромышленности используют ситалловые трубы.

     Все ширеобласти применения ситаллов в электронной промышленности. Их используют вкачестве диэлектрической изоляции микросхем и межслойной изоляции печатных схемна керамических и других подложках. Ситаллы на основе горных пород (перлита идоломита) рекомендуются для изготовления высоковольтных стержневых и штыревыхэлектроизоляторов. Стеклокерамические корпуса нашли применение для герметизацииполупроводниковых приборов и интегральных схем. Литиево-алюмосиликатнаястеклокерамика в сочетании с барийалюмосиликатным стеклом в наши дни служитнаполнителем в материалах для пломбирования зубов.

    Стеклокристаллическиематериалы разделяют на ряд видов, важнейшими из которых являются ситаллы,получаемые из технически чистых материалов, и шлакоситаллы, получаемые на основедешевого сырья — металлургических шлаков. Родиной шлакоситалла считаютСоветский Союз, где впервые были разработаны механизированная технология иоборудование для непрерывной варки шлакоситаллового стекла в ванной печинепрерывного действия, формования ленты и кристаллизации ее в конвейерной печис целью получения черного, белого и светлоокрашенного шлакоситалла. В основевсех работ в этом направлении лежат исследования профессора И. И.Китайгородского, впервые введшего в обиход само слово «ситалл» и разработавшегоконцепцию использования отходов различных производств, включая доменные шлаки,для получения нового вида материала из стекла. Следует заметить, что первыешлакоситаллы в зависимости от чистоты шлакового сырья и его состава получалисьсерых, коричневых, зеленовато-бурых тонов. Их применяли в основном в технике истроительстве (например, в виде листов и плиток для настила полов в химическихцехах, гражданских сооружениях). Но для того, чтобы получить из нихдекоративные материалы, необходимо было расширить цветовую гамму. Естественно,любые цветные материалы можно создать на основе белого с использованиемкрасителей. А белый шлакоситалл долго не удавалось получить. Лишь в 1970 г. былналажен выпуск белой разновидности шлакоситаллов. Панели и плиты из этогоматериала стали широко применять при облицовке фасадов

                                          Литература

МакмилланП. У., “Стеклокерамика”, пер. с англ., М., 1967.

ПавлушкинН. М., “Основы технологии ситаллов”, М., 1970.

Бережной А.И.“Ситаллы и фотоситаллы”. — М., Машиностроение, 1981.