Ситалл¶

Ситалл — это стеклокристаллический материал, получаемый путём направленной кристаллизации стекла. По своей структуре ситалл занимает промежуточное положение между обычным стеклом (аморфным веществом) и керамикой (поликристаллическим материалом). Он сочетает в себе свойства обоих классов: высокую механическую прочность, твёрдость, термостойкость, химическую стойкость и низкую теплопроводность. Технология производства ситаллов была разработана в середине XX века, и в СССР она получила значительное развитие. В зарубежной литературе аналогичные материалы часто называют «стеклокерамикой» (glass-ceramics).

¶История

Первые работы по созданию стеклокристаллических материалов относятся к 1950-м годам. В 1953 году американский изобретатель Стэнли Дональд Стуки (компания Corning Glass Works) получил патент на материал, названный «Pyroceram». Этот материал был получен путём добавления в стекло зародышей кристаллизации (нуклеаторов) и последующей термической обработки. Pyroceram отличался высокой термостойкостью и прочностью, что позволило использовать его, в частности, в носовых обтекателях ракет.

В СССР систематические исследования в области ситаллов начались в 1950-х — 1960-х годах под руководством академика И. В. Гребенщикова и профессора А. И. Августиника. Значительный вклад в развитие теории и технологии внесли учёные Государственного оптического института имени С. И. Вавилова (ГОИ), Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова РАН и других организаций. Термин «ситалл» (от «ситалл» — сокращение от «силикатный кристаллический материал») был предложен советскими учёными. В 1960-е — 1970-е годы в СССР были разработаны многочисленные марки ситаллов, включая оптические, термостойкие и радиопрозрачные.

¶Химический состав и структура

Ситаллы состоят из двух основных фаз: кристаллической и остаточной стекловидной. Кристаллическая фаза может составлять от 30 до 95 % объёма материала. Химический состав ситаллов весьма разнообразен и зависит от назначения. Основу большинства ситаллов составляют оксиды кремния (SiO₂), алюминия (Al₂O₃), лития (Li₂O), магния (MgO), цинка (ZnO), титана (TiO₂) и других элементов. В качестве нуклеаторов (катализаторов кристаллизации) чаще всего используют оксиды титана, циркония, хрома, фтора или платину.

Структура ситалла определяется типом и количеством кристаллических фаз, а также их размерами. Размер кристаллов обычно составляет от 0,1 до 10 мкм. В зависимости от состава и режима термообработки могут образовываться такие кристаллические фазы, как:

Сподумен (LiAlSi₂O₆) — придаёт материалу низкий коэффициент термического расширения (КТР).
Эвкриптит (LiAlSiO₄) — также снижает КТР.
Кордиерит (Mg₂Al₄Si₅O₁₈) — обеспечивает высокую термостойкость и низкую диэлектрическую проницаемость.
Муллит (Al₆Si₂O₁₃) — повышает прочность и твёрдость.
Кварц (SiO₂) — может присутствовать в виде кристобалита или тридимита.

¶Классификация

Ситаллы классифицируют по нескольким признакам:

¶По назначению

Оптические ситаллы — прозрачные в видимом или инфракрасном диапазоне, с низким КТР (например, марка СО-115М). Используются для изготовления зеркал телескопов, линз, лазерных элементов.
Термостойкие ситаллы — выдерживают резкие перепады температур (до 800–1000 °C). Применяются в бытовой технике (варочные панели), авиационной и космической технике.
Радиопрозрачные ситаллы — обладают низкой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями на сверхвысоких частотах. Используются для обтекателей антенн и радиолокационных станций.
Химически стойкие ситаллы — устойчивы к воздействию кислот, щелочей и агрессивных сред. Применяются в химической промышленности.
Биоситаллы — совместимы с живыми тканями, используются в медицине для изготовления костных имплантатов и зубных протезов.

¶По типу кристаллической фазы

Литиевоалюмосиликатные (на основе сподумена, эвкриптита).
Магниевоалюмосиликатные (на основе кордиерита).
Цинкоалюмосиликатные.
Титансодержащие.

¶По технологии получения

Традиционные ситаллы — получаемые объёмной кристаллизацией стекла.
Ситаллы-покрытия — наносимые на поверхность металла или керамики для защиты.
Ситаллы, армированные волокнами — для повышения прочности.

¶Технология производства

Производство ситаллов включает несколько основных этапов:

Варка стекла. Исходные компоненты (оксиды, карбонаты, нитраты) смешиваются и плавятся при температуре 1400–1600 °C до получения однородного стекольного расплава.
Формование. Расплав отливается в формы или вытягивается в листы, стержни, трубы. Возможно также прессование и центробежное литьё.
Отжиг. Заготовки медленно охлаждаются для снятия внутренних напряжений.
Термообработка (кристаллизация). Заготовки нагреваются до температуры 600–1000 °C (в зависимости от состава) и выдерживаются при этой температуре в течение нескольких часов. В этот период образуются центры кристаллизации и растут кристаллы.
Охлаждение. Готовые изделия охлаждаются до комнатной температуры.

Ключевым параметром является режим термообработки: температура, время выдержки и скорость нагрева. Изменяя эти параметры, можно регулировать размер кристаллов, их количество и тип кристаллической фазы, а следовательно, и свойства конечного материала.

¶Свойства

Ситаллы обладают комплексом уникальных свойств, которые делают их незаменимыми в ряде областей техники:

Механическая прочность. Предел прочности на изгиб у ситаллов может достигать 200–400 МПа, что в 2–4 раза выше, чем у обычного стекла. Твёрдость по шкале Мооса — 6–8.
Термостойкость. Многие ситаллы выдерживают резкие перепады температур (например, от 20 до 800 °C) без разрушения. Коэффициент термического расширения может быть близок к нулю (например, у литиевоалюмосиликатных ситаллов).
Химическая стойкость. Ситаллы устойчивы к действию большинства кислот, щелочей и органических растворителей, за исключением плавиковой кислоты.
Электроизоляционные свойства. Удельное электрическое сопротивление ситаллов может достигать 10¹⁴ Ом·см, диэлектрическая проницаемость — от 5 до 10.
Оптическая прозрачность. Некоторые марки ситаллов прозрачны в видимом и инфракрасном диапазонах, что позволяет использовать их в оптике.
Биосовместимость. Биоситаллы не вызывают отторжения и могут интегрироваться с костной тканью.

¶Применение

Благодаря сочетанию свойств ситаллы находят применение в различных отраслях промышленности и науки:

Оптика и астрономия. Из оптических ситаллов изготавливают зеркала для крупных телескопов (например, зеркало диаметром 6 м для Большого телескопа азимутального (БТА) в Специальной астрофизической обсерватории РАН). Также из них делают линзы, призмы, подложки для лазеров.
Бытовая техника. Варочные панели (индукционные и электрические плиты) изготавливаются из термостойких ситаллов. Они выдерживают высокие температуры и устойчивы к царапинам.
Авиация и космонавтика. Радиопрозрачные ситаллы используются для обтекателей антенн самолётов и ракет. Термостойкие ситаллы применяются в теплозащите космических аппаратов.
Медицина. Биоситаллы используются для изготовления костных имплантатов, зубных коронок и протезов. Они обладают биосовместимостью и могут быть окрашены в цвет натуральных зубов.
Химическая промышленность. Химически стойкие ситаллы применяются для изготовления реакторов, трубопроводов, клапанов и другой аппаратуры, работающей в агрессивных средах.
Электроника. Ситаллы используются как подложки для микросхем, изоляторы в высоковольтных устройствах, а также в производстве конденсаторов и резисторов.
Строительство. Ситаллы применяются в качестве облицовочного материала, для изготовления плитки для полов и стен, а также в качестве наполнителя для бетонов.

¶Интересные факты

Самое крупное в мире зеркало из ситалла (диаметром 6 м) было изготовлено в СССР в 1970-х годах для телескопа БТА. Оно весит около 70 тонн и имеет коэффициент термического расширения, близкий к нулю.
Ситаллы используются в производстве посуды для микроволновых печей и духовок благодаря своей термостойкости.
В космической технике ситаллы применяются для изготовления иллюминаторов, которые должны выдерживать перепады температур от -200 до +200 °C.
Некоторые марки ситаллов обладают эффектом «памяти формы» — после деформации при нагреве они возвращаются к исходной форме.

¶Источники

Павлушкин Н. М. «Ситаллы». — М.: Стройиздат, 1970.
Бобкова Н. М., Силин А. В. «Стеклокристаллические материалы». — М.: Высшая школа, 1985.
Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4.
Материалы Государственного оптического института имени С. И. Вавилова.
Техническая документация на ситаллы марки СО-115М.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →