Стеклокристаллические материалы

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 11Следующая ⇒

Стеклокристаллические материалы были разработаны в 1955-57 гг. и получили название ситаллы (термин образован из первой и последних букв слов «стекло» и «кристалл»). Ситаллы в первой стадии получаются методами технологии стекольного производства. Далее в результате специальной термической обработки и действия катализаторов происходит направленная кристаллизация отформованного стекла и стекло превращается в ситалл. Ситалл имеет поликристаллическое строение с размером зерен 1 мкм и менее. Между кристаллами располагаются тончайшие промежуточные прослойки стекловидной фазы в количестве до 10...40 % (рис. 14). Вследствие мелкозернистого строения ситаллы имеют повышенные механические свойства по сравнению с другими родственными материалами (стеклами, керамикой).

Форма зерен кристаллов различная (остроугольная, иглообразная, сферическая) и завйсит от природы выделяющей фазы и условий образования и роста кристаллов. Кристаллическая фаза в ситаллах может состоять из кристаллов одного или нескольких типов.

Рис. 14. Схемы микроструктур ситаллов:

кристаллическая фаза:

а – Li₂O Al₂O₃ 4SiO₂;

б – CaO Al₂O₃ 2SiO₂

В зависимости от химического состава стекла и режима термической обработки тип кристаллической фазы может изменяться в широких пределах. Одними из наиболее распространенных и важных являются кордиерит (2MgО2Al₂O₃5SiO₂), β - сподумен (Li₂OAl₂O₃4SiO₂), волластонит (CaOSiO₂), анортит (CaOAl₂O₃2SiO₂), β -эвкриптит (Li₂OAl₂O₃2SiO₂) и др. В ситаплах могут также образоваться твердые растворы на основе различных кристаллических фаз. Возможность широкого изменения состава кристаллических фаз в структуре ситаллов является их важной особенностью.

Между кристаллами располагаются переходные области от одного зерна к другому, имеющие строение стекловидной фазы и другой состав по сравнению с кристаллами. Количество стекловидной фазы в различных ситаплах изменяется в широких пределах.

Характерной особенностью ситаллов является отсутствие в их структуре пор, пустот и других грубых дефектов. В этом отношении ситаллы отличаются от керамических материалов, у которых относительная плотность в большинсте случаев не превышает 94...95 %.

Технологическая схема получения ситаллов включает следующие основные операции: получение шихт, варка стекла, формование стекла, термическая обработка (кристаллизация стекла), отжиг изделий. Оптимальная термическая обработка является важным элементом технологии получения ситаллов. В процессе термической обработки происходит кристаллизация стекла с целью превращения его в ситалл.

В состав стекла вводят катализаторы: двуокись титана, окись хрома, двуокись циркония и другие окисные катализаторы. Они способствуют микроликвации стекла, расслоению на две фазы разного состава с образованием поверхностей раздела. На них возникают центры кристаллизации новых фаз. В ряде случаев используются и металлические катализаторы, выделяющиеся из стекла в виде коллоидных частиц меди, серебра, золота.

Термическая обработка изделий из стекла с катализаторами является двухступенчатой (рис.15).

Рис. 15. Схема двухступенчатой термической обработки стекла (а)

и вспомогательные графики зависимости числа центров кристаллизации (б)

и линейной скорости кристаллизации (в) от температуры

На первой стадии при t₁ образуются зародыши кристаллов, а во время второй стадии при t₂ происходит рост кристаллов.

Свойства и применения ситалпов. На прочность ситаплов большое влияние оказывает фазовый состав, условия термической обработки, состояние поверхности образцов. Наиболее прочные ситаллы дает стекло кордиеритового состава (система MgO- Al₂O₃-SiO₃-TiO₂). Предел прочности при изгибе таких ситаплов равен 120...360 МПа. Другие типы стекол дают менее прочные ситаллы. Прочность ситаплов не снижается при нагреве до температуры 700°С. Ситаллы имеют высокую твердость и износостойкость. Различные виды ситаллов отличаются своими термическими, механическими, электрическими, химическими и оптическими свойствами.

Ситаллы применяют в различных конструкциях, где требуется прочность, твердость, износостойкость. Так, из ситаплов изготовляются подшипники скольжения, которые удовлетворительно работают без смазки при температурах 540...980 °С. Эти подшипники могут работать в агрессивных жидкостях при высоких температурах. Ситаллы используются при изготовлении труб в нефтехимической промышленности для работы с агрессивными средами в ус ловиях высоких температур. Ситаллы могут использоваться для изготовления точных калибров, зеркал для телескопов и других деталей, размеры которых не должны изменяться с температурой.

Вследствие повышенной прочности и при малом коэффициенте линейного расширения ситаллы имеют хорошую термостойкость. Ситаллы с высокими термическими свойствами применяются для изготовления теплообменников, химической посуды, контрольных стержней атомных реасторов, оболочек электровакуумных приборов. Ситаллы с хорошими электрическими свойствами применяются для изготовления изоляторов, конденсаторов, печатных схем в радиотехнике, конусов-обтекателей и др. В области микроминиатюризации электронного оборудования ситаллы используются в качестве подложек для схем, напыляемых в вакууме.

Из ситалла можно изготовлять поплавки сферической формы для экспериментальных подводных платформ с приборами береговой и геодезической службы. Такие платформы удерживаются якорными цепями на глубине 30 м от поверхности.

Для проведения океанографических исследований на глубинах до 9200 м в США намечено изготовить из ситалла корпус безэкипажной глубоководной подводной лодки. Выбор ситалла в качестве материала для корпуса обусловлен его высокой прочностью при сжатии.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒