Получение стеклокристаллических материалов и изделий

Стеклокристаллические материалы, получившие в нашей стране сокращенное название «ситаллы», изготовляют преимущественно методами стекольной технологии и, реже, керамической технологии. Они представляют собой материалы поликристаллического строения с размером зерен 1 мкм и менее, между которыми располагаются тонкие промежуточные прослойки стекловидной фазы в количестве до 10…40 %.

Ситаллы в первой стадии изготовления получают методами технологии стекольного производства на основе подготовки шихт из композиций различных химических соединений, преимущественно оксидов. Используются те составы силикатных систем на основе оксида кремния SiО₂, в которых при проведении специальной термической обработки стеклообразная фаза способна кристаллизоваться с образованием мелкокристаллических фаз, имеющих заданные свойства.

Технические ситаллы получают на основе искусственных минеральных смесей. В зависимости от свойств они подразделяются на следующие разновидности:

· Термостойкие ситаллы: кордиеритовые (система MgO-Al ₂ O₃-SiO₂), сподуменовые (система Li₂O- Al₂O₃-SiO₂) и др;

· Диэлектрические ситаллы: волластонитовые (система СаО - SiO₂), кордиеритовые (система MgO-Al₂O₃-SiO₂), и др.;

· Высокопрочные ситаллы: муллитовые (система Al₂O₃-SiO₂), шпинелевые. Прочные ситаллы дает использование стекла кордиеритового состава системы MgO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂.

На фазовый состав ситаллов оказывают влияние небольшие добавки стеклообразователей (В, Р и др.), а также модификаторов (Na, К, Ca, Ba и др.). Их введение влияет на содержание основных фаз ситаллов.

Большое количество марок ситаллов получено в системах Li₂O- Al₂O₃-SiO₂ - TiO₂и RO - Al₂O₃-SiO₂ - TiO₂(RO типа MgO, СаО, ВаО ).

Для обеспечения кристаллизации стекла на этапе проведения термической обработки в шихту вводят в малых количествах от сотых до десятых долей процента вещества, служащие катализаторами и центрами кристаллизации стекол. К ним относятся металлические катализаторы медь, золото, серебро и др., которые растворяются при варке стекла и выделяются из стекла при охлаждении или термической обработке.

Окисными катализаторами кристаллизации являются TiO₂, Cr₂O₃, ZrO₂, ZnO и др. Эти катализаторы способствуют микроликвации стекол, т.е. расслоению на две фазы с образованием поверхностей раздела фаз. Микроликвация способствует снижению величины энергии образования центров кристаллизации.

После формования изделий из стекла проводится специальная двухстадийная термическая обработка, называемая ситаллизацией (рис. 41). Температура нагрева t ₁ первой стадии должна соответствовать температуре максимальной скорости образования центров кристаллизации. На второй стадии, при более высокой температуре t ₂, соответствующей температуре максимума линейной скорости роста центров кристаллизации, из центров формируются зерна кристаллической фазы.

Рис. 41. Схема термической обработки стекла (а), изменение скорости образования

числа центров кристаллизации (б) и линейной скорости роста роста кристаллов (в)

в зависимости от температуры

Выбор оптимального режима термической обработки сформованных изделий из стекла обеспечивает получение требуемых структур ситаллов, фазового состава и физико-механических свойств.

В необходимых случаях для изготовления изделий применяют технологическую схему керамического производства.

Ее основными операциями являются получение шихты и варка стекла, измельчение стекла в порошок, получение пластичной порошковой композиции и формование, спекание формовок, термическая обработка. Добавку катализатора проводят на стадии варки стекла или подготовки пластичной порошковой композиции.

Ситаллы различного состава и структуры значительно отличаются по своим термическим, электрическим, механическим, химическим и оптическим свойствам. Они используются в различных конструкциях. Из них изготовляют лабораторную посуду, термостойкие трубки, теплообменники, контрольные стержни атомных реакторов, точные калибры, зеркала для телескопов, электрические изоляторы.

Для проведения океанографических исследований на глубинах до 9 километров в США намечено изготовить из ситалла корпус глубоководного необитаемого аппарата. Выбор ситалла обусловлен его высокой прочностью при сжатии и химической устойчивостью к воздействию морской воды.