Ситаллы

Ситаллы представляют собой стеклокристаллические (микрокристаллические) материалы, получаемые путем направленной (катализированной) кристаллизации стекол специальных составов, протекающей в объеме заранее отформованного изделия. Ситаллы состоят из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе.

Ситаллы — это относительно новые силикатные материалы (60-х года XX столетия), обладающие высокой термической, коррозионной стойкостью и механической прочностью. Ситаллы получаются из стекла полной или частичной его кристаллизацией, шлакоситаллы — из металлургических шла­ков в жидкотекучем состоянии с добавкой катализаторов. Термин предложен И.И. Ки­тайгородским и происходит от сочетания слов «стекло (сили­кат)» и «кристалл». От стекла ситаллы отличаются минералогическим составом и микрокристалли­ческим строением.

Главная особенность ситаллов - тонкозернистая равномерная стеклокристаллическая структура, обусловливающая сочетание высокой твердости и механической прочности с отличными электроизоляционными свойствами, высокой температурой размягчения, хорошей термической и химической стойкостью.

Ситаллы имеют мелкокристаллическую структуру с разме­рами кристаллов менее 1 мкм. Содержание кристаллической фазы в них достигает 96% , а аморфной фазы не более 50% .

Состав ситаллов весьма разнообразен: наиболее распростра­нены литиевые ситаллы Li₂O—Аl₂Оз—SiO₂, отличающиеся вы­сокой термостойкостью и малым коэффициентом термического расширения; магниевые ситаллы МgО—Аl₂Оз—SiO₂, обладаю­щие, помимо этих свойств, оптической и радиопрозрачностью, кальциевые, цинковые, кадмиевые и марганцевые ситаллы со­става: Ме—Аl₂Оз—SiO₂, где Ме = Са, Zn, Сd, Мn, характеризую­щиеся высокой диэлектрической постоянной, термостойкостью и прозрачностью для видимого и инфракрасного излучения.

Сырьем для производства ситаллов служат горные породы, металлургические и топливные шлаки, отходы стекольного произ­водства. Кристаллизация стекла в производстве ситаллов осу­ществляется из расплавленной стекломассы определенного хими­ческого состава, в которой для создания центров кристаллизации присутствуют катализаторы. Катализаторами кристал­лизации служат металлы (Аg, Аu, Сu, Рt) в коллоидно-дисперсном состоянии, которые выделяются в стекле в результате облучения изделий радиацией (фотоситаллы), а также фториды и фосфаты ще­лочных и щелочноземельных металлов, двуокись титана и другие (термоситаллы). В результате такой термообработки получаются из­делия кристаллического строения (до 95% кристаллической фазы).

Из этой массы получают изделия, ко­торые находятся при охлаждении в стеклообразном состоянии.

При повторном их нагревании до температуры стеклования (400-600° С) в стекле возникают зародыши кристаллизации (кристаллы катализатора); зародыши растут до определенных размеров, обра­зуя центры кристаллизации для других фаз, выделяющихся при дальнейшем нагревании изделий. Термическую обработку проводят в две стадии при 500-700 и 900-1000° С.

Ситаллы имеют высокую температуру размягчения 900—1000° С. Для них характерны высокая (до 1450°С) темпера­тура плавления, малая пористость и газонепроницаемость, хи­мическая и термическая стойкость. Ситаллы стойки в щелочах, во всех кислотах, кроме плавиковой. Такие материалы устойчивы к действию смеси азотной и серной кислот при температурах до 300° С.

Для ситаллов характерна высокая твердость и меха­ническая прочность. По механическим свойствам ситаллы превосходят сталь, уступая ей лишь в отношении ударной вязкости, по которой некоторые образцы (« пирокам ») девять раз превосходят стекла, имеют ма­лый коэффициент термического расширения, износоустойчивость и выдерживают резкие колебания тем­ператур (до 1000° С).

Ситаллы имеют низкие диэлектрические потери при высоких частотах и температурах, высокую диэлектрическую постоянную при высоких частотах, поэтому применяются для изготовления изоляторов. Из ситаллов изготовляют обтекатели управляемых снарядов, трубы диаметром от 3 до 100 мм, подшипники, работаю­щие без смазки при 540° С; поршни и цилиндры двигателей внутрен­него сгорания, футеровку мельниц, резцы, буры и т. п.

Ситаллы и шлакоситаллы приме­няют для изготовления строитель­ных деталей (плитки, ступени, по­доконники), труб, подшипников, работающих без смазки до 500°С, поршней и цилиндров двигателей внутреннего сгорания, режущих элементов буров, обкладки шаро­вых мельниц, обтекателей ракет.

Прозрачная посуда предназначена для микроволновых печей, непрозрачная - для любых нагревателей. ИК-прозрачный цветной ситалл для тонкостенных настилов (панелей) электропечей с различными типами нагревателей, поддонов для микроволновых печей, смотровых окон бытовых каминов обладает высокой термостойкостью, низкой тепловой инертностью, высокой химической стойкостью.

В ситаллах, изготовленных из светочувствительных стекол, получают непрозрачные белые или цветные трехмерные изображения. Различная растворимость кристаллической и прозрачной стекловидной фаз открывает возможности получения выпуклого изображения и производства из фотоситаллов технических изделий с сеткой прецизионно выполненных отверстий любого сечения.

Термическая устойчивость ситаллов обеспечивается очень небольшими, а иногда и коэффициентом термического расширения. Оптическое кварцевое стекло может быть заменено прозрачными ситаллами, которые имеют перед ним то преимущество, что в силу малых коэффициентов теплового расширения оно не чувствительно к тепловым ударам.

Фотоситаллы получают их стекол литиевой системы с добавлением специальных коллоидных красителей. Фотохимический процесс протекает при облучении стекла ультрафиолетом или рентгеновскими лучами, при этом внешний вид стекла не изменяется. Фотоситаллы используются для получения фотоизображения. Их разрешающая способность гораздо выше фотоэмульсий.

Шлакоситаллы, разработанные в СССР под руководством проф. И. И. Китайгородского, могут широко использоваться в машино­строении, приборостроении, строительстве.