4.12. СИТАЛЛЫ стеклокристаллические материалы кратко

Привет, Вы узнаете о том , что такое ситаллы, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое ситаллы, стеклокристаллические материалы , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов.

ситаллы – это стеклокристаллические материалы , получаемые путем почти полной стимулированной кристаллизации стекол специально подобранного состава. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. Недостатком стекол считается процесс местной кристаллизации – расстекловывание, приводящее к появлению неоднородности и ухудшению свойств стеклянных изделий. Если в состав стекол, склонных к кристаллизации, ввести одну или несколько добавок веществ, дающих зародыши кристаллизации, то удается стимулировать процесс кристаллизации стекла по всему объему изделия и получить материал с однородной микрокристаллической структурой.

Технология получения ситалла состоит из нескольких операций. Сначала получают изделие из стекломассы теми же способами, что и из обычного стекла. Затем его подвергают чаще всего двухступенчатой термической обработке при температурах 500 … 700°С и 900 … 1100°С. На первой ступени происходит образование зародышей кристаллизации, на второй – развитие кристаллических фаз. Содержание кристаллических фаз к окончанию технологического процесса достигает порядка 95%, размеры оптимально развитых кристаллов составляют 0,05 … 1 мкм. Изменение размеров изделий при кристаллизации не превышает 1 … 2%.

Таким образом, ситаллы отличаются от стекол тем, что в основном имеют кристаллическое строение, а от керамики – значительно меньшим размером кристаллических зерен.

Кристаллизация стекла может быть обусловлена фотохимическими и каталитическими процессами. В первом случае центрами кристаллизации служат мельчайшие частицы металлов (серебра, золота, меди, алюминия и др.), выделяющиеся из соответствующих окислов, входящих в состав стекла, под влиянием облучения с последующей термообработкой для проявления изображения. Для инициирования фотохимической реакции обычно используют ультрафиолетовое излучение. При термообработке происходит образование и рост кристаллитов вокруг металлических частиц. Одновременно при проявлении материал приобретает определенную окраску. Стеклокристаллические материалы, получаемые таким способом, называют фотоситаллами. Если облучать не всю поверхность изделия, а лишь определенные участки, то можно вызвать локальную кристаллизацию в заданном объеме.

Закристаллизованные участки значительно легче растворяются в плавиковой кислоте, нежели примыкающие к ним стеклообразные области. Это позволяет травлением получать в изделиях отверстия, выемки и т.п.

Технология изготовления ситаллов упрощается, если в качестве катализаторов кристаллизации использовать соединения, ограниченно растворимые в стекломассе или легко кристаллизующиеся из расплава. К числу таких соединений относятся TiO₂, FeS, B₂O₃, Cr₂O₃, V₂O₅, фториды и фосфаты щелочных и щелочно-земельных металлов. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . При каталитической кристаллизации необходимость в предварительном облучении отпадает. Получаемые при этом стеклокристаллические материалы называют термоситаллами.

По внешнему виду ситаллы представляют собой плотные материалы белого и от светло-бежевого до коричневого цвета. Они отличаются повышенной механической прочностью, могут иметь как очень маленький, так и большой коэффициент линейного расширения, высокую теплопроводность и удовлетворительные электрические характеристики.

Многие ситаллы обладают высокой химической стойкостью к действию сильных кислот (кроме HF) и щелочей. Доступность сырья и простая технология обеспечивают невысокую стоимость изделий.

По техническому назначению ситаллы можно подразделить на установочные и конденсаторные. Установочные ситаллы широко используют в качестве подложек гибридных интегральных микросхем и дискретных пассивных элементов (например, тонкопленочные резисторы), деталей СВЧ-приборов и некоторых типов электронных ламп. Достоинством ситалловых конденсаторов является повышенная по сравнению с керамическими конденсаторами электрическая прочность.

Для повышения прочности стекла стремятся избежать его кристаллизации, приводящей к неоднородности структуры материала. Однако если такая кристаллизация протекает в контролируемых условиях и окончательная структура материала состоит из микрокристаллических частиц, равномерно распределенных в стеклообразной массе, то он приобретает комплекс новых свойств.

Материалы, получаемые управляемой кристаллизацией неорганического стекла, называют стеклокристаллическими или ситаллами. Процесс кристаллизации стекла в ситаллах доводится до конца, так что остаточное содержание некристаллической фазы составляет не более нескольких процентов. Размер кристаллов в ситаллах составляет 1…2 мкм, толщина некристаллических прослоек — несколько десятых микрометра. Для изготовления ситаллов используют те же компоненты, что и для стекол, а также добавки — катализаторы (нуклеаторы). Основу ситаллов составляют оксиды (Li2О, А12О3, SiO2, МgО, СаО и прочие), а в качестве нуклеаторов применяются соли светочувствительных металлов (Аu, Аg, Сu), которые являются коллоидными красителями и находятся в стекле в виде мельчайших коллоидно-дисперсных частиц, а также фтористые и фосфатные соединения, TiO2 и другие, представляющие собой центры кристаллизации, распределяющиеся в стекле в виде плохо растворимых частичек.

После плавления шихты для ситаллов и изделий, получаемых по обычной технологии, производят ее повторный нагрев до температуры стеклования (400…600 °С). При этой температуре происходит образование кристаллов, которые зарождаются на центрах кристаллизации. Время выдержки изделия при температуре стеклования выбирают таким, чтобы получить максимальный объем кристаллической фазы. Степень кристаллизации в ситаллах доходит до 95 %. В зависимости от исходного сырья различают три вида ситаллов — фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы. Структура ситаллов является многофазной и состоит из зерен одной или нескольких кристаллических фаз, скрепленных между собой стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы колеблется от 30 до 95 %. Размер кристаллов обычно не превышает 1…2 мкм. По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными и прозрачными (количество стеклофазы в них составляет до 40 %).

Шлакоситаллы получают на основе доменных шлаков и катализаторов (сульфаты, порошки железа и другие); в которые вводятся соединения фтора для усиления ситаллизации.

В отличие от обычного стекла, свойства которого определяются, в основном, его химическим составом, для свойств ситаллов решающее значение имеют их структура и фазовый состав. Причиной ценных свойств ситаллов является их исключительная мелкозернистость и почти идеальная поликристаллическая структура. Свойства ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует всякая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость ситаллов делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.

Плотность ситаллов составляет 2 400…2 950 кг/м3, прочность при изгибе σизг = 70…350 МПа (и даже 560 МПа), при растяжении — σв = 112…161 МПа, при сжатии — σсж = 700…2000 МПа, модуль упругости — 84…141 ГПа. Прочность ситалла зависит от температуры. До температуры 700…780 °С его прочность уменьшается незначительно, а при более высоких температурах — быстро падает. Жаропрочность ситаллов под нагрузкой составляет 800…1 200 °С. Максимальная температура размягчения tразм = 1 250…1 350 °С. Ударная вязкость ситаллов выше, чем ударная вязкость стекла (4,6…10,5 кДж/м2), но они тоже относятся к хрупким материалам, а их твердость приближается к твердости закаленной стали (микротвердость составляет 7 000…10 500 МПа). При этом они очень износостойки (fтр = 0,07…0,19). Коэффициент линейного расширения ситаллов составляет (7…300)·10-7 с-1. Из-за повышенной плотности ситаллы по теплопроводности превосходят стекла (λ = 2…7 Вт/м·К) и их термостойкость является высокой (Δt = 500…900 °С).

Стеклокристаллические материалы обладают высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам и не окисляются даже при высоких температурах. Эти материалы газонепроницаемы и обладают нулевым водопоглощением, они являются хорошими диэлектриками.

Применение ситаллов определяется их свойствами. Из ситаллов изготовляют подшипники, детали для двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, детали для химических насосов, плунжеры, оболочки вакуумных электронных приборов, детали радиоэлектроники. Ситаллы используют в качестве жаростойких покрытий для защиты металлов от действия высоких температур. Ситаллы применяют для изготовления износостойких деталей текстильных машин, абразивов для шлифования, фильер для вытягивания синтетических волокон. Из ситаллов могут быть изготовлены лопасти воздушных компрессоров и сопла реактивных двигателей. Ситаллы используются для изготовления точных калибров и оснований металлорежущих станков.

Данная статья про ситаллы подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое ситаллы, стеклокристаллические материалы и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов