Стеклокристаллические материалы (ситаллы).

В последние десятилетия создан и используется новый класс материалов - ситаллы (стеклокристаллические материалы), отличающиеся высокими показателями физико-механических свойств.

Ситаллы (стеклокристаллические материалы) - неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией различных стекол при их термической обработке. Состоят из одной или нескольких кристаллических фаз. В ситаллах мелкодисперсные кристаллы (до 2000 нм) равномерно распределены в стекловидной матрице. Количество кристаллических фаз в ситаллах может составлять. 20-95% (по объему). Изменяя состав стекла, тип инициатора кристаллизации (катализатора) и режим термической обработки, получают ситаллы с различными кристаллическими фазами и заданными свойствами. Впервые ситаллы были изготовлены в 50-х гг 20 века. Материалы, подобные ситаллам, за рубежом называются пирокерамом, девитрокерамом, стеклокерамом.

Ситаллы обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, малым термическим расширением, химической и термической устойчивостью, газо- и влагонепроницаемостью. По своему назначению могут быть разделены на технические и строительные. Технические ситаллы получают на основе систем: Li₂O-Al₂O₃-SiO₂, MO-Al₂0₃-SiO₂, Li₂O-МО-А1₂О₃--SiO₂, где M-Mg, Ca, Zn, Ba, Sr и др.; MgO-Al₂O₃--SiO₂-K₂O-F; МО-В₂О₃-А1₂О₃ (где M-Ca, Sr, Pb, Zn); PbO-ZnO-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ и др. По основному свойству и назначению подразделяются на высокопрочные, радиопрозрачные химически стойкие, прозрачные термостойкие, износостойкие и химически стойкие, фотоситаллы, слюдоситаллы, биоситаллы, ситаллоцементы, ситаллоэмали, ситаллы со специальными электрическими свойствами.

Высокопрочные ситаллы получают главным образом на основе стекол систем MgO-Al₂O₃-SiO₂ (кордиеритовые составы) и Na₂O-Al₂O₃-SiO₂ (нефелиновые составы). Для первых инициатором кристаллизации служит ТiO₂; у_изг для них 240-350 МПа. Ситаллы нефелиновых составов после упрочнения ионообменной обработкой в расплавленных солях калия имеют у_изг 1370 МПа. Области применения высокопрочных Ситаллов - ракето- и авиастроение (обтекатели антенн), радиоэлектроника.

Оптически прозрачные термостойкие и радиопрозрачные химически стойкие ситаллы получают на основе стекол системы Li₂O-Al₂ O₃-SiO₂ (сподумено-эвкриптитовые составы); инициатор кристаллизации-TiO₂. В оптически прозрачных ситаллах размер кристаллов не превышает длины полуволны видимого света. Ситаллы, содержащие в качестве основных кристаллических фаз эвкриптит (Li₂ О * А1₂ О₃ * 2SiO₂) или сподумен (Li₂ О * А1₂ О₄ * 4SiO₂), имеют, кроме того, температурные коэффициенты расширения близкие к нулю, и иногда даже отрицательные - до - 5·10^-6 К^-1. Области применения -космическая и лазерная техника, астрооптика. Введение в состав таких ситаллов активаторов люминесценции и специальных добавок позволяет применять их в солнечных батареях.

Износостойкие и химически стойкие ситаллы получают на основе стекол CaO-MgO-SiO, (пироксеновые составы); инициаторы кристаллизации - фторид или оксид хрома. Отличаются высокой износостойкостью (истираемость 0, 001 г/см²) и стойкостью в различных химических средах. Применяются в текстиль-ной, химической, автомобильной промышленности, буровой и горнодобывающей технике.

Фотоситаллы обычно получают на основе стекол системы Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ со светочувствительными добавками (соединения Аu, Ag, Сu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют его избирательной кристаллизации. Находят применение в микроэлектронике, ракетной и космической технике, оптике, полиграфии как свето-чувствительные материалы (например, для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров).

Слюдоситаллы получают на основе стекол системы MgO - А1₂ О₃ - SiO₂ - К₂ О - F (фторфлогопитовые, фторрихтеритовые, фторамфиболовые составы). Сочетают высокие механические и электрические свойства с хорошей механической обрабатываемостью - их можно резать, сверлить, фрезеровать, шлифовать. Применяются в машиностроении для изготовления, деталей, подвергающихся трению и износу, а также в качест-ве материала для деталей сложной конфигурации.

Биоситаллы получают обычно на основе стекол системы СаО - MgO - SiO₂ - Р₂ О ₅ (апатито-волластонитовые составы). Высокая механическая прочность, биологическая совместимость с тканями организма позволяют использовать их в медицине для зубных и костных протезов.

Ситаллоцементы, получаемые на основе стекол системы PbO-ZnO-B₂O₃-SiO,. имеют очень низкий коэффициент тепловогорасширения (4-10)·10^-6 К^-1; применяются для спаивания стеклодеталей цветных кинескопов и электронно-лучевых трубок, герметизации полупроводниковых приборов, в производстве жидкокристаллических индикаторов, в микроэлектронике. Перспективно также использование таких ситаллов в качестве стеклокристаллических покрытий (стеклоэмалей), наносимых на поверхность различных металлов (W, Mo, Mb, Та, их сплавов, различных видов стали) с целью защиты их от коррозии, окисления и износа при обычных и повышенных температурах. Отличаются повышенной термо и жаростойкостью, устойчивостью к истиранию, высокой механической и электрической прочностью. Применяются в качестве покрытий для деталей дизелей, газотурбинных установок, атомных реакторов, авиационных приборов, электронагревательных элементов.

Ситаллы со специальными электрическими свойствами получают на основе стекол систем BaO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂ и Nb₂О₅-СоО-Na₂O-SiO₂. Характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью (е 240-1370) и низким коэффициентом диэлектрических потерь (1, 5-3, 2). Используются для изготовления низкочастотных конденсаторов большой емкости, пьезоэлементов и др. Разработаны полупроводниковые, ферромагнитные, ферроэлектрические, сегнетоэлектрические ситаллы с различным сочетанием электрических свойств. Ситаллы на основе стекол системы MgO-Al₂O₃- SiO₂ имеют очень низкий tg д (3* 10^-4 при 25єС и 10⁴ МГц), ситаллы на основе метаниобата Pb - высокую диэлектрическую проницаемость (е 1000-2000). На основе стекол B, O₃-BaO-Fe₂O₃ получены ситаллы с одно и многодоменной структурой с размером доменов ~ 500 нм.

К группе строительных ситаллов относят шлако, золо, петроситаллы, получаемые с использованием шлаков черной и цветной металлургии, зол, горных пород. В зависимости от химического состава используемых отходов, определяющих вид доминирующей кристаллической фазы, подразделяются на волластонитовые, пироксеновые (инициаторы кристаллизации - оксиды Cr, Ti, Fe, фториды), мелилитовые (система СаО - MgO - 2А1₂ О₃ - SiO₂, инициатор кристаллизации - оксид Сr), пироксен-авгитовые и геденбергитовые (система СаО - MgO - Fe₂O₃ - А1₂О₃ - SiO₂), форстеритовые (система CaO-MgO-SiO₂) и эгириновые (Na₂O-Fe₂O₃-SiO₂) ситаллы. Они имеют высокие прочностные характеристики (у_изг 100-180 МПа), высокую микротвердость (8500-9000 МПа), относительно низкую истираемость (0, 05 г/см²), высокую стойкость к химическим и термическим воздействиям. Применяются в строительстве, горнодобывающей, химической и других отраслях промышленности.