8. Ситаллы

Ситаллы - стеклокристаллические материалы, получаемые путём почти полной стимулированной кристаллизации стёкол специального состава. Они обладают: высокими механическими свойствами (в 10 раз выше прокатного стекла), высокой твёрдостью и устойчивостью к истиранию, высокой температурой размягчения (до 1350^оС), хорошей термостойкостью (300÷700^оС), низкой плотностью, хорошими электроизоляционными свойствами. От керамики отличаются более тонкой и однородной микрокристаллической структурой.

В шихту вводят специальные катализаторы кристаллизации (Cu,Ag,Au,Si,Pt,SiO₂,P₂O₅,Cr₂O₃,ZrO₂,ZnOи др.). Технология изготовления ситаллов отличается тем, что схему производства изделий из стекла (шихта, варка стекла, формование изделий, отжиг изделий) дополняют этапом кристаллизации изделий (за формованием или после отжига). Для изделий сложной формы этапы технологии следующие: шихта, варка, гранулирование, измельчение в порошок, получение шликера, формование изделий, спекание, кристаллизация.

Ситаллы на основе системы MgO-Al₂O₃-SiO₂(9÷11%TiO₂в качестве катализатора) - получается кордиерит, который кристаллизуется при 1250÷1300^оС в течение 1÷16 часов.

Pb- содержащие ситаллы:PbO-ZnO-B₂O₃-SiO₂(добавкиP₂O₅,BaO,CdOи др.), термообработка в 2 стадии (температура, время): 1) 500^оС, 2 часа; 2) 700^оС, 1 час.

9. Газы и пары металлов.

Инертные газы(ИГ) - получаются путём конденсации и фракционной разгонки воздуха (Не также получают из минералов менацита и торианита при нагреве до 1200^оС и из природных источников. Содержание ИГ в воздухе представлено в табл. 9.1

Таблица 9.1

ИГ	N2	O2	Ar	CO2	Ne	He	NH3	H2	Kr	Xe
Об.%	78	21	0,9325	~0,03	1,61∙ 10-4	4,6∙10-4	1∙10-4	1∙10-4	1,08∙ 10-4	8∙ 10-4
Точка кип., минус оС	196	183	186	78,5	246	269	161,4	253	153	109

Различные смеси инертных газов: 1) Ne-He(75÷78%Ne, 25÷22%He) - из остатка при выработке жидкого; 2) техническийAr(от 5 до 30%N₂, < 0,1% О₂) - для ЛОН; 3) спектрально чистыйAr(0,1÷0,3%N₂) - для разрядных приборов; 4) спектрально чистыйNe(~ 0,3% Не) - получается из 1) смеси путём разделения жидкого Н₂(при -253^оС); 5) спектрально чистый Не - получается по п. 4); 6) спектрально чистыеKrиXe(~ 0,05%N₂).

Очистка инертных газов:1) очистка в разряде с электродами из Са (образуются карбиды, нитриды, гидриды, оксиды – осаждаются на стенке колбы) – аппарат Борна; 2) очистка в разряде с К иNaкатодами; 3) очистка в разряде с катодами из мишметалла (Се,Y– 40÷60%,La,Nd– 25÷28%,Pd– 20%,Tb,Sm– 6%,Fe– 3%,Si– 3%); 4) очистка в дуговом разряде междуMgэлектродами; 5) порошок Мg(550÷600^оС) с циркуляцией газа – удаляются О₂,N₂,CO,CO₂иNH₃; 6) активированнаяCuдля удаления О₂из инертных газов; 7) циркониевые обрезки (870÷930^оС) с циркуляцией газа над ними.

Осушка инертных газов.Наиболее эффективно пары Н₂О удаляются при пропускании газа через ловушку с жидким воздухом – давление паров воды составляет 10^-22мм рт. ст., для осушкиKrиXeэтот метод не пригоден – их осушают при применении ловушки со смесью твёрдой углекислоты и спирта (-78^оС), при этом давление паров Н₂О составляет 5·10^-4мм рт. ст.

Влагопоглотители(мгН₂О/ л):P₂O₅- 2·10^-5;Mg(ClO₄)₂- 5·10^-4;BaO- - 6,5·10^-4;KOH(плавл.) - 2·10^-3;Al₂O₃- 3·10^-3;MgO- 8·10^-3; силикагель - 3·10^-2;NaOH(плавл.) – 1,6·10^-1; СаО,CaCl₂-2·10^-1;H₂SO₄ (95,1%) - 3·10^-1.

Активные газы.

Н₂– в печах для нагрева в защитной атмосфере, в печах обезгаживания, в восстановительных печах применяется баллонный Н₂ (стальные баллоны), пропущенный через предварительную очистку.

Схема очистки (аппаратура – назначение): 1а) маслоулавливатель – удаление паров масла; 1б) электрическая фарфоровая печь (~ 800^оС) – разложениеFe(CO₃)₅; 2) грубый стеклянный фильтр или вата – улавливание металлическогоFe; 3) промывочная склянка сKMnO₄– окисление органических примесей и СО; 4) грубый стеклянный фильтр – предохранение от перемешивания содержимого ванн при слишком быстром токе Н₂; 5) промывочная склянка с растворомHgCl₂– связываниеH₂Sи С₂Н₂; 6) позиция 4); 7) промывная склянка с концентрированным раствором КОН – поглощение СО₂; 8) позиция 4); 9) кварцевая трубка со свободно упакованными медными стружками, нагретыми до 700÷800^оС – каталитическое сжигание О₂до Н₂О; 10) промывочная склянка сH₂SO₄– осушка водорода-газа; 11) позиция 4); 12) осушительная колонка сCuCl₂– осушка; 13) несколькоосушительных трубок с Р₂О₅– осушка; 14) позиция 4) – улавливание пыли от Р₂О₅. Очистка (схема процессов) Н₂, О₂,N₂,CO₂рассмотрена в [1, т.3, стр. 318].

О₂– баллонный О₂содержит следы СО₂, Н₂О,N₂и инертные газы: 0,7%Ar, 0,3%Ne.

N₂– баллонныйN₂получают из жидкого воздуха, содержит до 2% О₂.

СО₂– баллонный СО₂содержит 1÷2% посторонних газов. Чистый СО₂без применения процессов очистки можно получить путём умеренного нагрева двууглекислогоNa: 2NaHCO₃→Na₂CO₃+CO₂+H₂O(при 100^оС давление смесиCO₂+H₂Oсоставляет 733мм рт. ст.), Н₂О конденсируется в ловушке, а затем СО₂осушивается обычными влагопоглотителями. Небольшие количества СО₂можно получить по реакции (при нагреве ~ 500^оС):MgCO₃→MgO+CO₂. Очистка СО₂ от О₂ проводится ловушкой с твёрдой углекислотой (- 78,5^оС). СО₂применяется в качестве наполнения в газосветных трубках (для получения источников белого света), а также в газоразрядных лазерах.

NH₃– поставляется в стальных баллонах с чистотой 99,5%.

Давление паров металловпо [17] определяется формулами:

lgP_атм= - ΔF/(4,575 Т),lgP_{мм рт. ст.}= 5,581 (-ΔF/(4,575 Т)),F=U–TS+PV, гдеP_атм,P_{мм рт. ст.}– давление в атмосферах и мм рт. ст., соответственно,U- внутренняя энергия, Т – температура,S- энтропия,P- давление,V- объём, ΔF– изменениеF.

Для Р через скорость испарения Wв [17] даётся формула:

lgP_{мм рт. ст.}= 4,2340 +lgW+ 0,5lg(Т/М),

где М – вес грамм-молекулы, Wимеет размерность г/(см²·с).

Давление паров сплавов металлов подчиняется закону Рауля (см. раздел по амальгамам).

Давление насыщенных паров по [1, т.1] определяется формулой:

P= 17,1W(T/M)^0,5,

где W– скорость испарения, г/(см²·с), Т – температура металла, К, М – молекулярный вес испаряющегося вещества.

Толщина испарившегося слоя (мм за 1 час) определяется формулой:

D= 36000W/γ= 2100 (M/T)^0.5P/γ,

где γ –удельный вес, г/см³.

Давление паров 10^-2мм рт.ст. для ряда металлов достигается при температуре, К:Hg– 322,Cs– 425,Rb– 448,K– 482,Na– 514,Cd– 538,Zn– 617,Mg– 720,Li– 787,Sr– 825,Tl– 874,Cu– 882.