Ситаллы — стеклокерамические материалы¶
Ситаллы — группа поликристаллических стеклокерамических материалов, получаемых контролируемой кристаллизацией стекла, в которых кристаллическая фаза занимает основную часть объёма. Термин происходит от англ. glass-ceramic и был введён в 1950-х годах в США; в СССР материал разрабатывался с 1960-х годов в Институте стекла АН СССР (ныне — Институт стекла РАН) под руководством В. В. Вартика и В. И. Фитина. Ситаллы занимают промежуточное положение между стеклом и керамикой: они сочетают однородность стекла с прочностью и твёрдостью кристаллических материалов.
¶Состав и структура
Основу большинства ситаллов составляют силикатные системы: Li₂O–Al₂O₃–SiO₂ (литаевые), MgO–Al₂O₃–SiO₂ (магнезиальные), Na₂O–Al₂O₃–SiO₂ (шпатовые). Вводимые добавки (TiO₂, ZrO₂, P₂O₅) выполняют роль кристаллизаторов — они снижают энергию активации зарождения кристаллов.
Структура ситалла — это мозаика кристаллов, включённых в остаточное стекло. Размер кристаллов обычно составляет 0,01–0,1 мкм, что сопоставимо с длиной волны видимого света, поэтому ситаллы могут быть прозрачными. Доля кристаллической фазы достигает 70–95 %.
¶Свойства
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Плотность | 2,2–2,6 г/см³ |
| Твёрдость по Моосу | 6–7 |
| Прочность на изгиб | 80–250 МПа |
| Коэффициент теплового расширения | от −40×10⁻⁷ до +120×10⁻⁷ 1/°C |
| Рабочая температура | до 800–1000 °C |
Ключевое свойство ситаллов — возможность задать коэффициент теплового расширения (КТР) в широком диапазоне, включая нулевые и отрицательные значения. Это достигается подбором минеральной фазы: шпатовые ситаллы имеют КТР, близкий к нулю, а литиевые — отрицательный. Материалы с нулевым КТР не изменяют размеров при нагреве и охлаждении.
¶Технология получения
Производство ситаллов состоит из трёх этапов:
- Выплав стекла — при температуре 1400–1600 °C.
- Формование — литьё, прессование, вытяжка или напыление.
- Кристаллизация — двухступенчатый термообработочный режим: выдержка при температуре зарождения кристаллов (500–700 °C) и рост кристаллов (700–1100 °C).
После кристаллизации материал приобретает свойства, отличные от исходного стекла: он становится нерастворимым в кислотах, термостойким и химически инертным.
¶Классификация
По назначению ситаллы делятся на:
- Строительные — плиты для облицовки зданий, кислотоупорные и жаропрочные изделия.
- Технические — тигли, лабораторная посуда, изоляторы, детали приборов.
- Оптические — зеркала, линзы, экраны для телевизоров и ЭЛТ.
- Биологические — материалы для имплантатов (керамика на основе гидроксиапатита).
¶Применение
Ситаллы используются в электротехнике как диэлектрики и изоляторы, в химической промышленности как химически стойкие материалы, в строительстве как облицовочные плиты и кислотоупорная керамика. Оптические ситаллы применяются в производстве зеркал для телескопов, экранов телевизоров, а также в лазерной технике.
В России ситаллы выпускаются на предприятиях в Дзержинске (Нижегородская область), Гусь-Хрустальном (Владимирская область) и в Санкт-Петербурге. Материалы на основе литиевых ситаллов (марки СТ-1, СТ-5) применяются в приборостроении и космической технике.
¶Интересные факты
- Ситаллы обладают высокой химической стойкостью: они не растворяются в кислотах, включая плавиковую кислоту, которая разрушает обычное стекло.
- Некоторые ситаллы прозрачны для инфракрасного излучения, что позволяет использовать их в качестве окон для ИК-приборов.
- Материал с отрицательным КТР при нагреве уменьшается в размерах — это свойство используется в компенсационных устройствах.
Источники:
- Вартик В. В., Фитин В. И. «Ситаллы» — М.: Стройиздат, 1970.
- «Справочник по стеклу» / под ред. И. А. Булавина — М.: Стройиздат, 1975.
- Институт стекла РАН — материалы по стеклокерамическим материалам.
- Тихонов П. А. «Технология стекла» — Л.: Лениздат, 1985.