ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПЕНОСТЕКЛА И СИТАЛЛОВ

Цель работы - Ознакомиться с основными свойствами и способами получения пеностекла и ситаллов; изучить влия­ние состава и режима получения.

Задачи:

1. Ознакомиться с основными свойствами и способами получения пеностекла и ситаллов;

2. Изучить влия­ние состава и режима получения.

Краткие теоретические сведения

Ситаллы - стеклокристаллические материалы, состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе, получаемые из стекла путем его полной или частичной кристаллизации при термической обработке. Слово, получается, от слов «стекло» и «кристаллы». Содержание кристаллической фазы в ситаллах может составлять до 95 %. Размер кристаллов обычно не превышает 1-2 мкм.

Впервые ситаллы были изготовлены в 50-х гг. 20 века.

Ситаллы- это высокоплотные, непрозрачные, газонепроницаемые, химически и термически стойкие твердые материалы с низким температурным коэффициентом линейного расширения. Их механическая прочность в 2-3 раза выше, чем прочность стекла. Хорошо сопротивляются абразивному износу. Сочетание низкого температурного коэффициента линейного расширения и высокой механической прочности придает им высокую термостойкость. Ситаллы характеризуются высокой химической стойкостью к действию кислот и щелочей и не подвержены коррозии при нагреве до высоких температур. Они совершенно не поглощают влагу.

Различают:

● технические ситаллы

Их изготавливают на основе искусственных композиций из различных химических соединений - оксидов, солей- 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;

●петроситаллы

Изготовлены из горных пород - базальтов, диабазов;

●шлакоситаллы

Их получают из черных и цветных металлургических или топливных шлаков.

По основному свойству и назначению ситаллы подразделяются на высокопрочные, радиопрозрачные химически стойкие, прозрачные термостойкие, износостойкие и химически стойкие, фотоситаллы, слюдоситаллы, биоситаллы, ситаллоцементы, ситаллоэмали, ситаллы со спец. 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 TiО₂; ситаллы нефелиновых составов после упрочнения ионообменной обработкой в расплавленных солях калия имеют s_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 Li₂О - А1₂О₃ - SiO₂ (сподумено-эвкриптитовые составы); инициатор кристаллизации -ТiO₂. В оптически прозрачных ситаллы размер кристаллов не превышает длины полуволны видимого света. ситаллы, содержащие в качестве основных кристаллических фаз эвкриптит (Li₂O·Al₂O₃·2SiO₂) или сподумен (Li₂О · Аl₂О₄·4SiO₂), имеют, кроме того, температурный коэффициент расширения, близкий к нулю, и иногда даже отрицательный- до -5·10^-6 К^-1. Области применения - космическая и лазерная техника, астрооптика.

Износостойкие и химически стойкие ситаллы 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 различных химических средах. Применяются в текстильной, 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 ультрафиолетового облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют его избирательной кристаллизации. Находят применение в микроэлектронике, ракетной и космической технике, оптике, полиграфии как светочувствительные материалы (например, для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров).

Слюдоситаллы получают на основе стекол системы MgO-Al₂O₃-SiO₂-K₂O-F (фторфлогопитовые, фтор-рихтеритовые, 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 качестве материала для деталей сложной конфигурации.

Дифситаллы получают обычно на основе стекол системы СаО - MgO - SiO₂ - Р₂О₅ (апатито-волластонитовые составы). Высокая механическая прочность, биологичекая 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 коэффициент теплового расширения (4-10) · 10^-6 К^-1; применяются для спаивания стеклодеталей цветных кинескопов и электроннолучевых 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, Nb, Та, их сплавов, различных видов стали) с целью защиты их от коррозии, окисления и износа. 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 ВаО-Аl₂О₃-SiO₂-ТiO₂ и Nb₂O₅-CoO-Na₂O--SiO₂. Характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью (e 240-1370) и низким коэффициентом диэлектрических потерь (1,5-3,2). Используются для изготовления низкочастотных конденсаторов большой емкости, пьезоэлементов и др. Разработаны полупроводниковые, ферромагнитные, ферро-электрические, сегнетоэлектрические ситаллы с различным сочетанием электрических свойств.

Свойства некоторых промышленных ситаллов

Свойство	Высокопрочный MgO – Al2O3 – SiO2	Радиопрозрачный химически стойкий Li2O – Al2O3 – 4SiO2	Прозрачный термически стойкий Li2O – Al2O3 – 2SiO2	Износостойкий и химически стойкий CaO – MgO – SiO2	Слюдоситалл MgO – Al2O3 – SiO2 – K2O – F	Биоситалл CaO – MgO – SiO2 – P2O5	Ситаллоцемент PbO – ZnO – B2O3 – SiO2	Шлакоситаллл CaO – Al2O3 – SiO2 –
Главные кристаллические фазы	Кордиерит	β - Сподумен	β - Эвкриптит	Пироксен*	Фторфлогопит	Апатит, волластонит	Бораты свинца	Волластонит**
Плотность, кг/м3	2610	2420 – 2550	2228 – 2610	2970 – 3000	2520 – 2630	2600 – 2700	6300 – 6500	2650 – 2700
Прочность при изгибе МПа	240 – 350	115 – 180	70 – 130	130 – 150	60 – 103	140 – 220	100 – 170	80 – 120
Модуль Юнга, ГПа	100 – 120	49,0 – 87,4	52,0 – 98,0	-	59,0 – 64,0	76,0 – 104,0	120 – 160	88 – 108
Микротвердость, МПа	6080 – 11000	5700 – 9300	5100 – 8750	8500 – 9200	2460	6400 – 6500	-	650 – 7500
Коэффициент линейного расширения (20 – 320ºС) К-1	(11-57)•10-7	(6-20)•10-7	(-50-6)•10-7	(76-85)•10-7	(63-97)•10-7	(85-90)•10-7	(40-120)•10-7	(80-85)•10-7
Максимальная рабочая температура, ºС	1250 – 1300	1200 – 1300	800 – 900	1000 – 1050	800 – 1000	-	-	850 – 900
Термическая стойкость, ºС	800 – 900	750 – 850	1000 – 1200	200 – 350	-	-	-	150 – 200
Удельное электрическое сопротивление, lg ρ	14 – 15	5,5 – 7,8	9 – 12	-	12	-	6,5 – 11,7 (250 ºС)	10 – 15
ε (20ºC), 1 МГц	5,6 – 7,5	5,5 – 7,8	6,9 – 9,1	-	6,9 – 6,1	-	6,1 – 20,4 (105Гц)	6,5– 7,5 (50 Гц)
tg δ (25 ºC), 1 МГц	(26 – 90)•10-4 Гц	(26 – 90)•10-4 Гц	(60 – 200)• 10-4 Гц	-	(6 – 30)• 10-4Гц	-	(10 – 20)•10-4 (105Гц)	280•10-4(50 Гц)
Химическая стойкость, мг/см2
Кипячение в 5%-ном растворе HCl	10 – 30	0,01 – 2,00	0,5	0,1 – 0,2	56 – 87	30 – 35	-	-
Кипячение в 5%-ном растворе NaOH	0,01 – 0,10	0,00 – 6,00	3	-	3,6 – 8,5	-	-	-
*Истираемость 0,001 г/см2. **Истираемость 0,015 – 0,030 г/см2, водостойкость – 99,9%, кислотостойкость – 99,8%, щелочестойкость – 80 – 85%.