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 кремнияSiО2, в которых при проведении специальной термической обработки стеклообразная фаза способна кристаллизоваться с образованием мелкокристаллических фаз, имеющих заданные свойства.
Технические ситаллыполучают на основе искусственных минеральных смесей. В зависимости от свойств они подразделяются на следующие разновидности:
Термостойкие ситаллы: кордиеритовые (системаMgO-Al2O3-SiO2), сподуменовые (системаLi2O-Al2O3-SiO2) и др;
Диэлектрические ситаллы: волластонитовые (система СаО - SiO2), кордиеритовые (системаMgO-Al2O3-SiO2), и др.;
Высокопрочные ситаллы: муллитовые (системаAl2O3-SiO2), шпинелевые. Прочные ситаллы дает использование стекла кордиеритового состава системыMgO-Al2O3-SiO2-TiO2.
На фазовый состав ситаллов оказывают влияние небольшие добавки стеклообразователей (В, Р и др.), а также модификаторов (Na, К,Ca,Baи др.). Их введение влияет на содержание основных фаз ситаллов.
Большое количество марок ситаллов получено в системах Li2O-Al2O3-SiO2- TiO2 иRO -Al2O3-SiO2- TiO2 (ROтипаMgO, 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, ZnOи 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, называемаяситаллизацией(рис. 41). Температура нагреваt1первой стадии должна соответствовать температуре максимальной скорости образования центров кристаллизации. На второй стадии, при более высокой температуреt2, 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.