Ситаллы

Интересными материалами, близкими по составу к стеклу, но отличающимися от него структурой, являются ситаллы, представляющие собой неорганические полимеры, получаемые кристаллизацией стекол различного состава, протекающей во всем объеме отформованного изделия.

Ситаллы получают из стеклообразной массы с добавлением зародышей образования кристаллов — центров кристаллизации. Сырьем для производства ситаллов являются дешевые материалы — различные оксиды, используемые при производстве стекла, а также базальт (горная порода, природный минерал) и отходы металлургического производства — доменные шлаки. Соответственно различают технические ситаллы на основе искусственно созданных композиций, пет- роситаллы на основе горных пород и шлакоситаллы на основе шлаков.

В отличие от стекол ситаллы имеют многофазную структуру, включающую поликристаллическую и аморфную фазы. Содержание поликристаллической фазы (60—95 %) регулируется составом шихты, типом катализатора кристаллизации и технологией производства. Размер кристаллов равен 1—2 мкм.

В качестве зародышей кристаллизации применяют металлы, оксиды, фториды, сульфиды металлов и ряд других веществ.

Процесс производства ситаллов состоит из следующих стадий:

• • подготовки шихты;
• • плавления шихты;
• • формования изделий из расплава;
• • охлаждения изделий в форме до температуры кристаллизации катализаторов (процесс образования центров кристаллизации начинается при температуре 800 °С);
• • кристаллизации катализаторов, которая проводится в течение одного часа;
• • медленного нагревания массы до 1200 °С, при котором происходит ее кристаллизация в течение 4 ч;
• • охлаждения полученного изделия до комнатной температуры.

Физический процесс образования кристаллического материала происходит по схеме: плавление — расслоение — кристаллизация. Необходимым условием образования ситаллов является наличие следующих факторов: способности расплава к расслоению, высокой склонности к кристаллизации у одной из фаз, образующихся в процессе расслоения, и склонности к стеклованию у другой фазы. Присутствие катализаторов кристаллизации ускоряет расслоение фаз и образование кристаллов.

Механические свойства ситаллов определяются их структурой: соотношением объемов кристаллической и аморфной фаз, размерами кристаллов, взаимным распределением фаз. Структура ситаллов всегда однородна, а пористость отсутствует.

Ситаллы обладают чрезвычайно высокими прочностными свойствами при сжатии и изгибе (табл. 20.3), низкой плотностью, высокой теплостойкостью и морозостойкостью, устойчивостью к воздействию кислот и щелочей, низким температурным коэффициентом линейного расширения.

Таблица 20.3. Механические свойства ситалла СТЛ-10

Прочность ситаллов на изгиб приближается к прочности чугуна, но они легче чугуна в 3 раза; сопротивление истиранию ситаллов в 4—8 раз выше, чем у каменного литья, в 20—30 раз выше, чем у гранита, и в 35 раз выше, чем у фарфора.

Удельная работа разрушения ситаллов при сжатии, как видно из данных рис. 20.1, в несколько раз выше, чем у стали.

Ситаллы сохраняют свои прочностные свойства вплоть до температуры 600—800 °С (рис. 20.2).

Эти свойства определяют области применения ситаллов. Их используют в качестве облицовочных панелей и труб для химического оборудования, из них делают электроизоляторы, мелющие тела для шаровых мельниц, подшипники, лопасти компрессоров газовых турбин, детали электронного и оптического оборудования, фильеры для экструзии полимеров и другие изделия.

Рис. 20.1. Диаграмма удельной работы разрушения при сжатии (е) различных материалов:

I — стали; 2 — стекла; 3—6 — ситаллов разных марок

Рис. 20.2. Влияние температуры (7) на прочность при изгибе (о_и):

1 — шлакоситалла 495; 2 — шлакоситалла 2

Сравнительно недавно разработаны технологии производства прозрачных ситаллов на основе оксидов бора, фосфата и кремния. Эти материалы обладают исключительной химической стойкостью и высокими диэлектрическими свойствами. Прозрачные ситаллы используются для изготовления элементов астрономических зеркал, лазерных гироскопов систем ориентации летательных аппаратов, при изготовлении СВЧ-печей и для других целей.

Аморфно-кристаллические и кристаллические ситаллы с плотностью 1,0—1,2 г/см³ и с температурным коэффициентом линейного расширения около 1 • 10^-5 КГ¹ используются при изготовлении биоимплантов. Кристаллические ситаллы применяются в производстве светофильтров с интегральным светопропусканием до 90 % и термостойкостью до 700 °С.

Таким образом, современные наука и промышленность силикатных материалов серьезно расширили традиционные области применения стекла — одного из самых древних и дешевых конструкционных материалов. Без современных стекол было бы невозможно развитие новых высокотехнологичных отраслей экономики, таких как лазерная техника, волоконно-оптическая связь, производство военной техники, восстановительная хирургия, машиностроение и многие другие.

Контрольные вопросы

• 1. Расскажите о структуре, свойствах и классификации стекол.
• 2. Какова технология производства стекол?
• 3. Расскажите о способах упрочнения стекол.
• 4. Какова структура ситаллов?
• 5. Как производят ситаллы?
• 6. Расскажите о свойствах и областях применения ситаллов.