Ситаллы

СИТАЛЛЫ (стеклокристаллич. 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. Кол-во 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 св-вами (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. св-ву и назначению подразделяются на высокопрочные, радиопрозрачные химически стойкие, прозрачные термостойкие, износостойкие и химически стойкие, фотоситаллы, слюдоси-таллы, биоситаллы, ситаллоцементы, ситаллоэмали, С. со спец. электрич. св-вами.

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 TiО₂; s_изг для них 240-350 МПа. С. нефелиновых составов после упрочнения ионообменной обработкой в расплавл. солях К имеют s_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 Li₂О - А1₂О₃ - SiO₂ (сподумено-эвкриптитовые составы); инициатор кристаллизации -ТiO₂. 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 (Li₂О · Аl₂О₄·4SiO₂), 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 пром-сти, буровой и горнодобывающей технике.

Фотоситаллы обычно получают на основе стекол системы Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ со светочувствит. добавками (соед. Аи, Ag, Сu), к-рые 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. св-ва 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 СаО - MgO - SiO₂ - Р₂О₅ (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- В₂О₃ - 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 произ-ве жидкокристаллич. индикаторов, в микроэлектронике. Перспективно также использование таких С. в качестве стеклокристаллич. покрытий (стеклоэмалей), наносимых на пов-сть разл. металлов (W, Mo, Nb, Та, их сплавов, разл. видов стали) с целью защиты их от коррозии, окисления и износа при обычных и повыш. т-рах. 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. св-вами получают на основе стекол систем ВаО-Аl₂О₃-SiO₂-ТiO₂ и Nb₂O₅-CoO-Na₂O--SiO₂. Характеризуются высокой диэлектрич. проницаемостью (e 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. св-в. С. на основе стекол системы MgO-Al₂O₃-SiO₂ имеют очень низкий tg d (3 · 10^-4 при 25 °С и 10⁴ МГц), С. на основе метаниобата Рb- высокую диэлектрич. проницаемость (e 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 Сr), пироксен-авгитовые и геденбергитовые (система СаО - MgO - Fe₂ О₃ - Аl₂ р₃ - SiO₂), форстеритовые (система CaO-MgO-SiO₂) и эгириновые (Na₂O--Fe₂O₃-SiO₂) С. Они имеют высокие прочностные характеристики (s_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 стр-ве, горнодобывающей, хим. и др. отраслях пром-сти.

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, Сг, Ni, Fe, фторидов, сульфидов, металлов платиновой группы, а также вследствие склонности стекол к ликвации, способствующей образованию пов-сти раздела фаз и приближающей хим. состав микрообластей к составу будущих кристаллов. Термич. обработку осуществляют обычно по двухступенчатому режиму; т-ра первой ступени лежит в области т-ры размягчения стекла и соответствует макс. скорости зарождения центров кристаллизации, при т-ре второй ступени происходит выделение кристаллов ведущей фазы, определяющей осн. св-ва С.

По керамич. (порошковой) технологии получения С. из расплава стекла вначале получают гранулят, к-рый 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 т-ре с одновременной кристаллизацией. По сравнению с керамикой аналогичного состава спеченные С. характеризуются более низкими т-рами 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 к-рой лежит низкотемпературный синтез (посредством р-ций гидролиза и конденсации) металлоорг. соед. элементов, составляющих стекло, при т-ре ниже т-ры плавления стекольной шихты. Этот метод позволяет получать С. на основе составов, не склонных к стеклообразова-нию, обеспечивает получение стекол высокой чистоты и однородности, что резко улучшает св-ва 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.