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.
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. 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
отрицательными (от -7 10-7 до +3 10-7) коэффициентами
термического расширения. Оптическое кварцевое стекло может быть
заменено прозрачными ситаллами, которые имеют перед ним то преимущество, что
в силу малых коэффициентов теплового расширения они нечувствительны к
тепловым ударам. Прозрачность связана с размером кристаллов, меньшим длины
полуволны видимого света (сотые доли м), и близостью показателей их преломления к стекловидной
фазе. Светочувствительные стекла и фотоситаллы находят широкое применение в
микроэлектронике, ракетной технике, космосе, оптике, полиграфии и бытовых
приборах. Так, из фоточувствительного стекла получены матрицы для
газоразрядных приборов, фотокерам для изготовления плат печатного монтажа, из
фотоситалла - перфорированные диски, применяемые в катодно-лучевых трубках и
т.д.
Технология
ситаллов включает стадии варки стекла, формовки изделий и специальной
термической обработки.
Технические ситаллы получают на основе искусственных шихт тех частей силикатных
систем, в которых кристаллизуются фазы, обладающие заданными свойствами. Для
термостойких ситаллов такими фазами являются кордиерит, сподумен LiAlSi2O6,
эвкриптит LiAlSiO4; для высокопрочных - шпинель, муллит;
для диэлектриков -кордиерит, диопсид, волластонит и т.д. Такие свойства, как
плотность, коэффициент термического расширения, теплопроводность, модуль
упругости и диэлектрическая проницаемость зависят от свойств фаз и аддитивно
меняются с изменением содержаний этих фаз. Поэтому важнейшую задачу
технической петрологии составляет изучение диаграмм состояния соответствующих
систем. На фазовый состав ситаллов влияют малые (до 1,5%) добавки
модификаторов (Na, K, Ca, Ba и др.), стеклообразователей (В, Р
и др.) и окислов промежуточного типа, введение которых не меняет состав
основных фаз, но заметно увеличивает или снижает их содержание. Необходимыми
добавками являются вещества, служащие катализаторами и центрами
кристаллизации стекол.
В
качестве последних применяются: металлические Au, Ag, Cu, Pt, Pd в
количествах от сотых до десятых долей %; окисные TiO2, P2O5,
Cr2O3, ZrO2, ZnO и др. (первые %),
фторидные Na3AlF6, Na2SiF6,
CaF2 и др. (обязательно совместно с Al2O3),
сера или сульфаты с добавкой кокса , сульфиды. В состав фотоситаллов вводят в
качестве светочувствительных добавок Au, Ag, Cu в сочетании с
сенсибилизаторами. Сенсибилизаторы - вещества, способствующие более полному
протеканию фотохимических процессов - повышению фоточувствительности с
образованием скрытого поверхностного изображения. При получении фотохромных и
других светочувствительных стекол в качестве сенсибилизаторов используются GeO2,
одновалентное золото, сернистые соединения щелочных металлов и др. Применение
элементов платиновой группы (Pt, Re, Pd, Os, Ir) не требует присутствия
сенсибилизаторов.
С
целью удешевления производства и комплексного использования сырья для
изготовления ситаллов привлечены: доменный шлак вместе с кварцевым песком -
для получения шлакоситаллов; магматические эффузивные и интрузивные горные
породы основного состава (базальты, габбро, траппы), метаморфические породы
(тремолитовые и тальковые сланцы), осадочные породы (лессовые суглинки,
известковая глина), нефелиновый концентрат - для получения петроситаллов.
Оценка пригодности шлаков и горных пород для этих целей наиболее просто и
эффективно осуществляется петрографическими методами по их минеральному
составу. Не последнюю роль играют знания петрохимических особенностей и
использование возможностей методов петрохимических пересчетов.
|
Схема
режима термообработки стекла для получения ситаллов.
|
Главной в технологии ситаллов является двухстадийная термообработка. Первая стадия - образования центров
кристаллизации - осуществляется для большинства составов шихт выдержкой при
температуре, оптимальной для этого процесса. Для фотоситаллов изделия после
отжига облучают ультрафиолетовыми, рентгеновскими или - лучами. Проявление скрытого
изображения происходит при нагревании стекол в интервале между температурой
размягчения и отжига в течение 8 - 60 мин. Далее термообработка продолжается
при более высоких температурах для завершения процесса кристаллизации и
получения ситалла. На второй стадии изделия отжигают при температуре,
наиболее благоприятной для роста кристаллов.
Жаропрочность, электропроводность, механическая прочность зависят не только
от свойств фаз, но в большей степени от структуры и потому не являются
аддитивными. Плотная микростуктура обеспечивает высокую твердость и
сопротивление абразивному износу. Повышение степени закристаллизованности
увеличивает модуль упругости. Улучшению механических , термических,
электроизоляционных свойств материала и химической стойкости способствует
низкое содержание стекловидной фазы.
Хотя
контроль за фазовым составом и структурой в связи с тонкозернистостью
ситаллов осуществляется в основном методами рентгенофазового анализа и
электронной микроскопии, при активном участии петрологов проводится
исследование кинетики зародышеобразования и роста кристаллов, являющихся
теоретической основой главных стадий производства ситаллов.
Вопросы переохлаждения расплавов не чужды петрологии. Рассмотренные
закономерности служат основой объяснения образования природных стекол и ряда
мелкозернистых структур при магматических процессах, в частности оторочек
малоглубинных интрузивных тел. Существенны они и для методики закалки при
проведении эксперимента.
|