Катализированная кристаллизация; ситаллы

При сближении кривых Таммана и при их сдвиге в сторону низких температур (ниже T_g) все возникшие зародыши одновременно начинают расти. Из-за их большого числа, медленности процесса их выделения они не могут достичь больших размеров и происходит практически полное заполнение объема очень маленькими кристалликами. Полнота кристаллизации может достигать 90% и более, а материал может оставаться прозрачным (или быть слегка опалесцирующим), хотя размер кристалликов может достигать нескольких десятков нм. При больших размерах кристаллических фаз материалы непрозрачны. Процесс кристаллизации имеет несколько стадий, чрезвычайно сложен и здесь не рассматривается.

Термин «катализированная кристаллизация – исторически устоявшийся. Строго говоря, процессы такого вида нельзя назвать каталитическими. В химии термин «катализатор» применяется для вещества, ускоряющего процесс, но остающегося после протекания реакции без изменений (например, синтез аммиака на платине или её сплавах как катализаторах; эти вещества остаются и могут быть использованы вновь). При катализированной кристаллизации вещество входит в состав зародышей кристаллизации и не восстанавливается.

В основе составов ситаллов (их иногда называют стеклокерамикой) находятся системы, образованные оксидами Li₂O, CaO, SiO₂, P₂O₅, Al₂O₃ и др. Обязательным для такого типа кристаллизации является наличие в составе либо оксида титана, либо оксида ниобия. Именно эти оксиды являются «катализаторами» процесса сверхтонкой кристаллизации. Она впоследствии развивается в местах зарождения фаз, в состав которых входят именно эти оксиды (чаще всего это их бинарные соединения с оксидом алюминия). После этого на этих кристалликах происходит кристаллизация алюмосиликатов, свойства которых и предопределяют свойства получающегося мелкокристаллического продукта[22].

Свойства таких материалов приближаются к свойствам специальных кристаллов. Они имеют низкий коэффициент термического расширения (от отрицательных значений до 2.5∙ 10^-5 К^-1), высокую термостойкость (выдерживают перепады температур до 800 К), высокую прочность, низкие диэлектрические потери, специфические опто-акустические свойства и др.

Катализаторами кристаллизации могут быть и центры из металлического серебра, образовавшиеся при воздействии света на стекло, содержащее галогениды серебра. Такие ситаллы были известны в США ещё с конца 50-х годов 20 века.

Ситаллы применяются как в оптике, так и в современных оптических технологиях (в случае их прозрачности), так же как и в других областях - в строительстве, в машиностроении (теплообменники), в медицине (в частности, в зубоврачебном деле), для изготовления посуды и др. Из ситаллов изготовляют зеркала для крупногабаритных телескопов, окрашенные прозрачные ситаллы могут использоваться для оснащения фонарей в самолетостроении, в качестве заменителей драгоценных камней и пр.

Для материалов современной оптоинформатики ситаллы интересны возможностью изготовления из них многофункциональных оптических деталей.

2.2.7 Связь кристаллизационной способности с диаграммой состояния

Практика разработки составов стекол убедительно показывает, что минимальной кристаллизационной способностью (по всем показателям) обладают составы, близкие к составам эвтектик. Это понятно, поскольку эвтектики имеют самые низкие температуры ликвидуса. Зарождение кристаллов и их последующий рост происходят при значениях вязкости, значительно больших таковых у веществ, образующих эвтектику. Кристаллизационная способность составов, близких к химическим соединениям, практически всегда выше таковой у эвтектик.