ситаллы

СИТАЛЛЫ (стеклокристаллические материалы)

неорг. материалы, получаемые направленной кристаллизацией разл. стекол при их термич. обработке. Состоят из одной или нескольких кристаллич. фаз. В С. мелкодисперсные кристаллы (до 2000 нм) равномерно распределены в стекловидной матрице. Количество кристаллич. фаз в С. может составлять 20–95% (по объему). Изменяя состав стекла, тип инициатора кристаллизации (катализатора) и режим термич. обработки, получают С. с разл. кристаллич. фазами и заданными свойствами (см. табл.). Впервые С. были изготовлены в 50-х гг. 20 в. Материалы, подобные С., за рубежом наз. пирокера-мом, девитрокерамом, стеклокерамом.

С. обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, малым термич. расширением, хим. и термич. устойчивостью, газо- и влагонепроницаемостью. По своему назначению м. б. разделены на технические и строительные. Технические С. получают на основе систем: Li₂O--Al₂O₃-SiO₂, MO-Al₂O₃-SiO₂, Li₂O-MO-Al₂O₃--SiO₂, где M-Mg, Ca, Zn, Ba, Sr и др.; MgO-Al₂O₃--SiO₂-K₂O-F; MO-B₂O₃-Al₂O₃ (где M-Ca, Sr, Pb, Zn); PbO-ZnO-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ и др. По осн. свойству и назначению подразделяются на высокопрочные, радиопрозрачные химически стойкие, прозрачные термостойкие, износостойкие и химически стойкие, фотоситаллы, слюдоси-таллы, биоситаллы, ситаллоцементы, ситаллоэмали, С. со спец. электрич. свойствами.

Высокопрочные С. получают гл. обр. на основе стекол систем MgO-Al₂O₃-SiO₂ (кордиеритовые составы) и Na₂O-Al₂O₃-SiO₂ (нефелиновые составы). Для первых инициатором кристаллизации служит TiO₂; σ_изг для них 240–350 МПа. С. нефелиновых составов после упрочнения ионообменной обработкой в расплавл. солях К имеют σ_изг 1370 МПа. Области применения высокопрочных С. — раке-то- и авиастроение (обтекатели антенн), радиоэлектроника.

Оптически прозрачные термостойкие и радиопрозрачные химически стойкие С. получают на основе стекол системы Li₂O — Al₂O₃ — SiO₂ (сподумено-эвкриптитовые составы); инициатор кристаллизации -TiO₂. В оптически прозрачных С. размер кристаллов не превышает длины полуволны видимого света. С., содержащие в качестве основных кристаллич. фаз эвкриптит (Li₂O∙Al₂O₃∙2SiO₂) или сподумен (Li₂O ∙ Al₂O₄∙4SiO₂), имеют, кроме того, температурные коэф. расширения, близкие к нулю, и иногда даже отрицательные-до -5∙10⁻⁶ К⁻¹. Области применения — космич. и лазерная техника, астрооптика. Введение в состав таких С. активаторов люминесценции и спед. добавок позволяет применять их в солнечных батареях.

Износостойкие и химически стойкие С. получают на основе стекол CaO-MgO-SiO₂ (пироксеновые составы); инициаторы кристаллизации-фторид или оксид хрома. Отличаются высокой износостойкостью (истираемость 0,001 г/см²) и стойкостью в разл. хим. средах. Применяются в текстильной, хим., автомобильной промышленности, буровой и горнодобывающей технике.

Фотоситаллы обычно получают на основе стекол системы Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ со светочувствит. добавками (соед. Au, Ag, Cu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют его избират. кристаллизации. Находят применение в микроэлектронике, ракетной и космич. технике, оптике, полиграфии как светочувствит. материалы (напр., для изготовления оптич. печатных плат, в качестве светофильтров).

Слюдоситаллы получают на основе стекол системы MgO-Al₂O₃-SiO₂-K₂O-F (фторфлогопитовые, фтор-рихтеритовые, фторамфиболовые составы). Сочетают высокие мех. и электрич. свойства с хорошей мех. обрабатываемостью-их можно резать, сверлить, фрезеровать, шлифовать. Применяются в машиностроении для изготовления деталей, подвергающихся трению и износу, а также в качестве материала для деталей сложной конфигурации.

Дифситаллы лолучают обычно на основе стекол системы CaO — MgO — SiO₂ — P₂O₅ (апатито-волластонитовые составы). Высокая мех. прочность, биол. совместимость с тканями организма позволяют использовать их в медицине для зубных и костных протезов.

Ситаллоцементы, получаемые на основе стекол системы PbO-ZnO- В₂O₃ — SiO₂, имеют очень низкий коэф. теплового расширения (4–10)∙10⁻⁶ К⁻¹; применяются для спаивания стеклодеталей цветных кинескопов и электроннолучевых трубок, герметизации полупроводниковых приборов, в производстве жидкокристаллич. индикаторов, в микроэлектронике. Перспективно также использование таких С. в качестве стеклокристаллич. покрытий (стеклоэмалей), наносимых на поверхность разл. металлов (W, Mo, Nb, Ta, их сплавов, разл. видов стали) с целью защиты их от коррозии, окисления и износа при обычных и повыш. температурах. Отличаются повыш. термо- и жаростойкостью, устойчивостью к истиранию, высокой мех. и электрич. прочностью. Применяются в качестве покрытий для деталей дизелей, газотурбинных установок, атомных реакторов, авиационных приборов, электронагреват. элементов.

С. со спец. электрич. свойствами получают на основе стекол систем BaO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂ и Nb₂O₅-CoO-Na₂O--SiO₂. Характеризуются высокой диэлектрич. проницаемостью (ε 240–1370) и низким коэф. диэлектрич. потерь (1,5–3,2). Используются для изготовления низкочастотных конденсаторов большой емкости, пьезоэлементов и др. Разработаны полупроводниковые, ферромагнитные, ферро-электрич., сегнетоэлектрические С. с разл. сочетанием электрич. свойств. С. на основе стекол системы MgO-Al₂O₃-SiO₂ имеют очень низкий tg d (3∙10⁻⁴ при 25 °C и 10⁴ МГц), С. на основе метаниобата Pb- высокую диэлектрич. проницаемость (ε 1000–2000). На основе стекол B₂O₃-BaO-Fe₂O₃ получены С. с одно- и многодоменной структурой с размером доменов ~ 500 им.

К группе строительных С. относят шлако-, золо-, пет-роситаллы, получаемые с использованием шлаков черной и цветной металлургии, зол, горных пород. В зависимости от хим. состава используемых отходов, определяющих вид доминирующей кристаллич. фазы, подразделяются на вол-ластонитовые, пироксеновые (инициаторы кристаллизации-оксиды Cr, Ti, Fe, фториды), мелилитовые (система CaO-MgO-2Al₂O₃-SiO₂, инициатор кристаллизации--оксид Cr), пироксен-авгитовые и геденбергитовые (система CaO — MgO — Fe₂ O₃ — Al₂ р₃ — SiO₂), форстеритовые (система CaO-MgO-SiO₂) и эгириновые (Na₂O--Fe₂O₃-SiO₂) С. Они имеют высокие прочностные характеристики (σ_изг 100–180 МПа), высокую микротвердость (8500–9000 МПа), относительно низкую истираемость (0,05 г/см²), высокую стойкость к хим. и термин, воздействиям. Применяются в строительстве, горнодобывающей, хим. и др. отраслях промышленности.

Получают С. и изделия из них гл. обр. с использованием стекольной и керамич. технологии, иногда по хим. способу. Наиб. распространена т. наз. стекольная технология, включающая варку стекла из шихты (см. стекло неорганическое), формование изделий (прессование, прокатка, центробежное литье) и термич. обработку. Последняя стадия обеспечивает кристаллизацию стекла вследствие введения в стекольную массу спец. инициаторов-каталитич. добавок — оксидов Ti, Cr, Ni, Fe, фторидов, сульфидов, металлов платиновой группы, а также вследствие склонности стекол к ликвации, способствующей образованию поверхности раздела фаз и приближающей хим. состав микрообластей к составу будущих кристаллов. Термич. обработку осуществляют обычно по двухступенчатому режиму; температура первой ступени лежит в области температуры размягчения стекла и соответствует макс. скорости зарождения центров кристаллизации, при температуре второй ступени происходит выделение кристаллов ведущей фазы, определяющей осн. свойства С.

По керамич. (порошковой) технологии получения С. из расплава стекла вначале получают гранулят, который измельчают и сушат, после чего в него добавляют термопластич. связку и из образовавшейся массы прессованием или шли-керным литьем формуют изделия. Затем их спекают при высокой температуре с одновременной кристаллизацией. По сравнению с керамикой аналогичного состава спеченные С. характеризуются более низкими температурами обжига и расширенным интервалом спекания. Порошковая технология позволяет получать из С. термически стойкие изделия сложной конфигурации и малых размеров.

По хим. способу С. получают гл. обр. по золь-гель технологии, в основе которой лежит низкотемпературный синтез (посредством реакций гидролиза и конденсации) металлоорг. соед. элементов, составляющих стекло, при температуре ниже температуры плавления стекольной шихты. Этот метод позволяет получать С. на основе составов, не склонных к стеклообразованию, обеспечивает получение стекол высокой чистоты и однородности, что резко улучшает свойства С., синтезируемых на их основе.

^{Лит.: Макмиллан П. У., Стеклокерамика, пер. с англ., М., 1967; Жуни-на Л. А., Кузьменков М. И., Яглов В.Н., Пироксеновые ситаллы, Минск, 1974; Павлушкин Н. М., Основы технологии ситаллов. 2 изд., М., 1979; Бережной А. И., Ситаллы и фотоситаллы, М., 1981; Стрнад 3., Стекло-кристаллические материалы, пер. с чеш., М., 1988.}

_{П. Д. Саркисов}