додати матеріал


Склокристалічні матеріли ситалли

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Введення
Мільйони років тому вогненна лава, викинута на поверхню землі у вигляді склоподібної маси, застигаючи при різних умовах, перетворювалася на природні камені - граніти, трахити, вулканічний попіл та ін Цей процес протікав стихійно, тому за своїми властивостями різні камені різко відрізняються один від одного . Надалі вчені знайшли шляхи управління процесами кристалізації розплавів, зокрема, скла, і розробили технологію отримання так званих ситалів, що дозволяє перетворювати скло в прочнейший матеріал. У 1950-х рр.. директор відділення фундаментальних досліджень з хімії компанії «Дау Корнінг» у Нью-Йорку Дональд Стукіт відкрив спосіб стимулювання процесу кристалізації скла з метою отримання нових цінних матеріалів з «расстеклованной маси». З цього часу процес кристалізації скла, відомий як мимовільний (чи спонтанний) і приносив великі втрати на виробництві, став керованим і спрямованим. У 1953 р. Дональд Стукіт опублікував статтю про механізованому виробництві нових матеріалів, і вже в 1957 р. він отримав ряд патентів на їх виготовлення. Перше офіційне повідомлення про створення нової галузі з перетворення скла в тонкокристаллическая «склокераміку» було зроблено фірмою «Дау Корнінг» 23 травня 1957
Новий матеріал, названий «пірокерам», по суті являє собою кристалічний матеріал, отриманий з незакристалізованій скла. Метод отримання нового матеріалу полягав у наступному: шихта, що містить один або кілька ядрообразующіх речовин (нуклеатора), піддавалася плавлення, потім виробленні та охолодження. Відповідна теплова обробка виготовленого виробу викликала освіта ядрообразующіх зародків у вигляді більйонів субмікроскопічних кристалів в 1 мм3 пірокерама. Кожен такий кристаліт ставав центром росту кристалів при подальшому нагріванні. Завдяки різноманітності хімічного складу вихідних стекол і методів теплової обробки пірокерам володів різними властивостями. У зв'язку з дослідженнями в області нових матеріалів народжувалася нова термінологія і обговорювалася придатність давно відомих термінів стосовно до досліджуваних матеріалів і технологій їх виготовлення. У ході перших робіт з склокристалічних матеріалами багато дослідників давали їм свої місцеві, «фірмові», назви. Наприклад, фірма «Дау Корнінг» дала цього матеріалу назву «пірокерам». Потім були випущені його модифікації під назвами «пірофлам», «центурій», «фотокерам» та ін У Англії використовувалися назви «пірос», «слагцерам». У Польщі в залежності від технології виготовлення - «сілітал», «квазікерам», «шлаковий квазікерам». У СРСР подібні силікатні полікристалічні матеріали отримали назви «ситалли» або «шлакоситалла». Крім спільності технологій виробництва, ці матеріали об'єднувало ще й особливе поєднання склоподібного і кристалічної фаз, а також хімічна кремнекислородним природа.
Ситалли поділяються на фотосіталли, термосіталли і шлакоситалла. На відміну від звичайних стекол, властивості якого визначаються в основному його хімічним складом, для ситалів вирішальне значення має структура і фазовий склад. Причина цінних властивостей ситалів полягає в їх виняткової дрібнозернистості, майже ідеальною полікристалічної структурі. Властивість ситалів ізотропні. У них абсолютно відсутній в'язка пористість. Усадка матеріалу при його переробці незначна. Велика абразивна стійкість робить їх малочутливою до поверхневих дефектів.
Щільність ситалів лежить в межах 2400-2950 кг / м 3, міцність при вигині - 70-350 МПа, тимчасовий опір - 112-161 МПа, опір стиску - 7000-2000 МПа. Модуль пружності 84 - 141Гпа. Міцність ситалів залежить від температури. Твердість їх близька до твердості загартованої сталі (V - 7000-10500 МПа). Вони дуже зносостійкі (f тр = 0,07-0,19). Коефіцієнт лінійного розширення лежить в межах (7 - 300) 10 -7 с -1. По теплопровідності ситалли в результаті підвищеної щільності перевершують скла. Термостійкість висока  t = 50 -900 0 С. Застосування ситалів визначається їх властивостями.
Виробництво ситалів
Ситалли представляють собою склокристалічні (мікрокристалічні) матеріали, одержувані шляхом спрямованої (каталізувало) кристалізації стекол спеціальних складів, що протікає в обсязі заздалегідь відформованого вироби. Сіталл складаються з однієї або декількох кристалічних фаз, рівномірно розподілених у склоподібної фазі.
Головна особливість ситалів - тонкозерниста рівномірна склокристалічних структура, яка обумовлює поєднання високої твердості і механічної міцності з відмінними електроізоляційними властивостями, високою температурою розм'якшення, хорошою термічної і хімічної стійкістю. У ситалли, виготовлених з світлочутливих стекол, отримують непрозорі білі або кольорові тривимірні зображення. Різна розчинність кристалічної та прозорою склоподібної фаз відкриває можливості отримання опуклого зображення та виробництва з фотосіталлов технічних виробів з сіткою прецизійно виконаних отворів будь-якого перетину.
Термічна стійкість ситалів забезпечується дуже невеликими, а іноді і негативними (від -7 10 -7 до +3 10 -7) коефіцієнтами термічного розширення. Оптичне кварцове скло може бути замінено прозорими ситалли, які мають перед ним ту перевагу, що в силу малих коефіцієнтів теплового розширення вони нечутливі до теплових ударів. Прозорість пов'язана з розміром кристалів, меншим довжини напівхвилі видимого світла (соті частки м), і близькістю показників їх заломлення до склоподібної фазі. Світлочутливі скла і фотосіталли знаходять широке застосування в мікроелектроніці, ракетній техніці, космосі, оптиці, поліграфії і побутових приладах. Так, з фоточутливого скла отримані матриці для газорозрядних приладів, фотокерам для виготовлення плат друкованого монтажу, з фотосіталла - перфоровані диски, застосовувані в катодно-променевих трубках і т.д.
Технологія ситалів включає стадії варіння скла, формування виробів та спеціальної термічної обробки.
Технічні ситалли отримують на основі штучних шихт тих частин силікатних систем, в яких кристалізуються фази, що володіють заданими властивостями. Для термостійких ситалів такими фазами є кордієрит, сподумен LiAlSi 2 O 6, евкріптіт LiAlSiO 4; для високоміцних - шпінель, муліт; для діелектриків-кордієрит, діопсид, Волластон і т.д. Такі властивості, як щільність, коефіцієнт термічного розширення, теплопровідність, модуль пружності і діелектрична проникність залежать від властивостей фаз і адитивно змінюються зі зміною змістів цих фаз. Тому найважливіше завдання технічної петрології складає вивчення діаграм стану відповідних систем. На фазовий склад ситалів впливають малі (до 1,5%) добавки модифікаторів (Na, K, Ca, Ba і ін), стеклообразователей (В, Р та ін) і оксидів проміжного типу, введення яких не змінює складу основних фаз, але помітно збільшує або знижує їх зміст. Необхідними добавками є речовини, що служать каталізаторами й центрами кристалізації стекол.
В якості останніх застосовуються: металеві Au, Ag, Cu, Pt, Pd в кількостях від сотих до десятих часток%; окисні TiO 2, P 2 O 5, Cr 2 O 3, ZrO 2, ZnO та ін (Перші%), фторидним Na 3 AlF 6, Na 2 SiF 6, CaF 2 та інших (обов'язково спільно з Al 2 O 3), сірка або сульфати з добавкою коксу, сульфіди. До складу фотосіталлов вводять як світлочутливих добавок Au, Ag, Cu в поєднанні з сенсибілізаторами. Сенсибілізатори - речовини, що сприяють більш повному протіканню фотохімічних процесів - підвищенню фоточутливості з утворенням прихованого поверхневого зображення. При отриманні фотохромних та інших світлочутливих стекол в якості сенсибілізаторів використовуються GeO 2, одновалентні золото, сірчисті сполуки лужних металів та ін Застосування елементів платинової групи (Pt, Re, Pd, Os, Ir) не вимагає присутності сенсибілізаторів.
З метою здешевлення виробництва та комплексного використання сировини для виготовлення ситалів залучені: доменний шлак разом з кварцовим піском - для отримання шлакоситалів; магматичні ефузивні і інтрузивні гірські породи основного складу (базальти, габро, траппи), метаморфічні породи (тремолітовие і тальку сланці), осадові породи (лесові суглинки, вапняна глина), нефеліновий концентрат - для отримання петросіталлов. Оцінка придатності шлаків та гірських порід для цих цілей найбільш просто і ефективно здійснюється петрографічним методами по їх мінеральним складом. Не останню роль грають знання петрохіміческая особливостей та використання можливостей методів петрохіміческая перерахунків.
Схема режиму термообробки скла для отримання ситалів.
Схема режиму термообробки скла для отримання ситалів.
Головною в технології ситалів є двостадійна термообробка . Перша стадія - утворення центрів кристалізації - здійснюється для більшості складів шихт витримкою при температурі, оптимальної для цього процесу. Для фотосіталлов вироби після відпалу опромінюють ультрафіолетовими, рентгенівськими чи - Променями. Прояв прихованого зображення відбувається при нагріванні стекол в інтервалі між температурою розм'якшення і відпалу протягом 8 - 60 хв. Далі термообробка продовжується при більш високих температурах для завершення процесу кристалізації і отримання ситалу. На другій стадії вироби отжигают при температурі, найбільш сприятливою для росту кристалів.
Жароміцність, електропровідність, механічна міцність залежать не тільки від властивостей фаз, але більшою мірою від структури і тому не є адитивними. Щільна мікростуктура забезпечує високу твердість і опір абразивного зносу. Підвищення ступеня закрісталлізованності збільшує модуль пружності. Поліпшенню механічних, термічних, електроізоляційних властивостей матеріалу та хімічної стійкості сприяє низький вміст склоподібної фази.
Хоча контроль за фазовим складом і структурою у зв'язку з тонкозернистого ситалів здійснюється в основному методами рентгенофазового аналізу та електронної мікроскопії, за активної участі петрології проводиться дослідження кінетики зародкоутворення і росту кристалів, які є теоретичною основою головних стадій виробництва ситалів.
Питання переохолодження розплавів не чужі петрології. Розглянуті закономірності служать основою пояснення утворення природних стекол і ряду дрібнозернистих структур при магматичних процесах, зокрема оторочек малоглубінних інтрузивних тіл. Істотними є вони і для методики гарту при проведенні експерименту.


Застосування ситалів
Синтез ситалів може бути здійснено з урахуванням заздалегідь заданих властивостей. Завдяки цьому ситалли можуть відрізнятися яким-небудь одним головним властивістю, наприклад, механічної або термічної міцністю, хімічною стійкістю, зносостійкістю, прозорістю та ін, або володіти комплексом необхідних властивостей. Це зумовило широкий спектр використання цих кристалічних матеріалів. У промислових масштабах ситалли стали широко використовувати з початку 1960-х рр.. Сьогодні вони широко використовуються в промисловості в якості облицювального матеріалу, елементів шаруватих панелей в конструкціях промислових будівель. Незамінний ситалл і в побуті. З нього виготовляють жароміцну господарську посуд - каструлі, жаровні, сотейники. Склокераміку застосовують в авіаційній промисловості, наприклад, в обтічниках ракет. Дуже велике поширення в хімічному машинобудуванні отримали склокристалічні покриття, що наносяться на поверхню різних металів для захисту їх від корозії, окислення і зносу при звичайних і підвищених температурах. На підприємствах хімічної, коксохімічної та нафтопереробної галузей промисловості використовують сіталловие труби.
Все ширше області застосування ситалів в електронній промисловості. Їх використовують як діелектричної ізоляції мікросхем і міжшарової ізоляції друкованих схем на керамічних та інших підкладках. Ситалли на основі гірських порід (перліту і доломіту) рекомендуються для виготовлення високовольтних стрижневих і штирьових електроізоляторів. Склокерамічні корпусу знайшли застосування герметизації напівпровідникових приладів та інтегральних схем. Літієво-алюмосилікатна шклокераміка в поєднанні з барійалюмосілікатним склом в наші дні служить наповнювачем в матеріалах для пломбування зубів.
Склокристалічні матеріали поділяють на ряд видів, найважливішими з яких є ситалли, одержувані з технічно чистих матеріалів, і шлакоситалла, одержувані на основі дешевої сировини - металургійних шлаків. Батьківщиною шлакоситалла вважають Радянський Союз, де вперше були розроблені механізована технологія і обладнання для безперервної варіння шлакосіталлового скла у ванній печі безперервної дії, формування стрічки і кристалізації її в конвеєрній печі з метою отримання чорного, білого і світлою шлакоситалла. В основі всіх робіт у цьому напрямку лежать дослідження професора І. І. Китайгородського, вперше ввів в ужиток саме слово «ситалл» і розробив концепцію використання відходів різних виробництв, включаючи доменні шлаки, для отримання нового виду матеріалу зі скла. Слід зауважити, що перші шлакоситалла в залежності від чистоти шлакового сировини та її складу виходили сірих, коричневих, зеленувато-бурих тонів. Їх застосовували в основному в техніці і будівництві (наприклад, у вигляді листів і плиток для настилу підлог в хімічних цехах, цивільних спорудах). Але для того, щоб отримати з них декоративні матеріали, необхідно було розширити колірну гаму. Природно, будь-які кольорові матеріали можна створити на основі білого з використанням барвників. А білий шлакоситалла довго не вдавалося отримати. Лише в 1970 р. був налагоджений випуск білої різновиди шлакоситалів. Панелі і плити з цього матеріалу стали широко застосовувати при облицюванні фасадів
Література
Макміллан П. У., "Склокераміка", пров. з англ., М., 1967.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат
29.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Ситалли і фотосіталли
Скло ситалли та кам`яне лиття Будівельні пластмаси
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru