Ситаллы (название образовано из слов «стекло» и «кристалл»)

Ситаллы получают из стекол путем регулируемой кристаллизации. Как уже указывалось (см. 1.2), аморфное (стеклообразное) состояние вещества является неравновесным в отличие от кристаллического (равновесного) состояния. Переход в кристаллическое состояние может осуществиться только при протекании диффузионных процессов (зарождение центров кристаллизации и их рост).

При низких температурах, когда скорость диффузии весьма мала (практически она равна нулю), кристаллизация не наблюдается. Ситаллы получают нагревом. Кристаллизация происходит не при охлаждении жидкости, как это имеет место при формировании структуры металлов и сплавов, а при нагреве. Температура превращения стекла в ситаллы значительно ниже, чем температура расплавления. Низкая температура кристаллизации наряду с высокой вязкостью стекла обусловливают малую скорость кристаллизации (СК). Поэтому при наличии большого количества центров кристаллизации (ЧСК) образующиеся кристаллы имеют малый размер (0,01…2 мкм).

Формирование структуры ситаллов происходит в две стадии. На первой стадии создаются центры кристаллизации, на второй — рост этих центров, т. е. процесс завершения кристаллизации. По механизму образования центров кристаллизации ситаллы подразделяются на фотоситаллы и термоситатлы.

В фотоситаллах центры формируются путем облучения стекла ультрафиолетовым светом и последующего отжига. Фотоситаллы включают весьма незначительные (0,01…0,001%) добавки соединений металлов платиновой группы (золота, серебра). При облучении образуются свободные электроны, которые восстанавливают часть ионов до металлического состояния. При отжиге эти атомы группируются и образуют центры кристаллизации. Плотность кристаллизации зависит от условий облучения. Она будет высокой и однородной после интенсивного и однородного облучения. При несоблюдении этого условия в ситалле могут оказаться участки, не подвергнутые облучению и сохранившие аморфную структуру. Фотоситаллы получают из стекол литиевой группы.

Центры кристаллизации термоситаллов возникают в результате термической обработки — отжига. Термоситаллы получают из стекол систем «MgO — А12O3 — SiO2», «СаО — А12O3 — SiO2». В качестве добавок используют ТiO2 (наиболее используемый компонент, его количество от 2 до 20%), FeS и др. В процессе отжига участки стекла, обогащенные элементами добавок, выпадают в виде частиц, которые и являются центрами кристаллизации.

Температура первого отжига, выполняемого для образования центров, составляет 500 °C, второго, при котором происходит завершение процесса кристаллизации, — 800… …1000 °С. Регулируя температуру и время выдержки отжига, можно получать структуру с различной степенью кристаллизации, достигая тем самым приобретения необходимых свойств.

Свойства ситаллов (табл. 12.5) определяются особенностями их структуры, а именно весьма малой величиной зерна. Мелкозернистая структура придает им беспористость, газонепроницаемость и обусловливает более высокие механические свойства по сравнению с исходным стеклом.

Таблица 12.5

Свойства стекол и ситаллов

Предел прочности ситаллов при растяжении составляет 70…120 МПа, что заметно выше, чем у исходного стекла (см. табл. 12.5). Модуль упругости некоторых ситаллов порядка 140 ГПа, т. е. выше, чем у магниевых, алюминиевых и даже титановых сплавов. Большей прочностью и жесткостью обладают ситаллы с кремнеземом, самые непрочные — литиевые.

Твердость ситаллов достаточно высокая (400…700 HV), что определяет их хорошую износостойкость. При такой твердости ситаллы являются хрупкими материалами, но ударная вязкость у них выше, чем у стекла.

Химическая стойкость ситаллов зависит от свойств исходного стекла. Щелочное стекло имеет пониженную стойкость в водных растворах, поэтому для химически стойких ситаллов следует использовать малощелочные стекла.

Коэффициент линейного расширения различных ситаллов изменяется в широких пределах (см. табл. 12.5). Ситаллы с малыми значениями а обладают высокой термостойкостью и не растрескиваются при закалке от 700 °C с охлаждением в воде.

Электрические свойства ситаллов отличаются высоким удельным электросопротивлением (р = 1012…1016 Омм) и электрической прочностью (Е = 28…48 кВ/мм). Высокое сопротивление, в отличие от стекол, сохраняется при нагреве до 400 °C.

Оптические свойства. Большинство ситаллов непрозрачны для видимого света, они окрашены в белый, серый или коричневый цвет. Исключение составляют литиевые ситаллы, поскольку размеры их кристаллов примерно в два раза меньше длины световой волны.

Применение ситаллов. Вследствие высокой химической стойкости ситаллы нашли широкое применение в химической промышленности. Они используются для изготовления деталей, работающих в агрессивных жидкостях, в том числе с абразивами.

Благодаря малому коэффициенту трения в парс с металлами (0,2…0,25), возможности работать без смазки и высокой износостойкости ситаллы используют для подшипников скольжения.

Высокая твердость позволяет изготавливать из ситаллов фильеры для протягивания полимерных волокон.

Ситаллы нашли применение также в электротехнической и радиопромышленности.

Следует обратить внимание на высокую технологичность изготовления деталей из ситаллов. При изготовлении изделий применимы все технологии стекольного производства, так как формообразующие операции выполняются до кристаллизации. Величина усадки при кристаллизации не более 3%.