Краткие теоретические сведения. Цель работы -Ознакомиться с основными свойствами и способами получения пеностекла и ситаллов; изучить влия­ние состава и режима получения.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПЕНОСТЕКЛА И СИТАЛЛОВ

Цель работы -Ознакомиться с основными свойствами и способами получения пеностекла и ситаллов; изучить влия­ние состава и режима получения.

Задачи:

1. Ознакомиться с основными свойствами и способами получения пеностекла и ситаллов;

2.Изучить влия­ние состава и режима получения.

Краткие теоретические сведения

Ситаллы - стеклокристаллические материалы, состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе, получаемые из стекла путем его полной или частичной кристаллизации при термической обработке. Слово, получается, от слов «стекло» и «кристаллы». Содержание кристаллической фазы в ситаллах может составлять до 95 %. Размер кристаллов обычно не превышает 1-2 мкм.

Впервые ситаллы были изготовлены в 50-х гг. 20 века.

Ситаллы- это высокоплотные, непрозрачные, газонепроницаемые, химически и термически стойкие твердые материалы с низким температурным коэффициентом линейного расширения. Их механическая прочность в 2-3 раза выше, чем прочность стекла. Хорошо сопротивляются абразивному износу. Сочетание низкого температурного коэффициента линейного расширения и высокой механической прочности придает им высокую термостойкость. Ситаллы характеризуются высокой химической стойкостью к действию кислот и щелочей и не подвержены коррозии при нагреве до высоких температур. Они совершенно не поглощают влагу.

Различают:

● технические ситаллы

Их изготавливают на основе искусственных композиций из различных химических соединений - оксидов, солей- Li₂O--Al₂O₃-SiO₂, MO-Al₂O₃-SiO₂, Li₂O-MO-Al₂O₃--SiO₂, где M-Mg, Ca, Zn, Ba, Sr и др.; MgO-Al₂O₃--SiO₂-K₂O-F; MO-B₂O₃-Al₂O₃ (где M-Ca, Sr, Pb, Zn); PbO-ZnO-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ и др;

●петроситаллы

Изготовлены из горных пород - базальтов, диабазов;

●шлакоситаллы

Их получают из черных и цветных металлургических или топливных шлаков.

По основному свойству и назначению ситаллы подразделяются на высокопрочные, радиопрозрачные химически стойкие, прозрачные термостойкие, износостойкие и химически стойкие, фотоситаллы, слюдоситаллы, биоситаллы, ситаллоцементы, ситаллоэмали, ситаллы со спец. электрическими свойствами.

Высокопрочные ситаллы получают главным образом на основе стекол систем MgO-Al₂O₃-SiO₂ (кордиеритовые составы) и Na₂O-Al₂O₃-SiO₂ (нефелиновые составы). Для первых инициатором кристаллизации служит TiО₂; ситаллы нефелиновых составов после упрочнения ионообменной обработкой в расплавленных солях калия имеют s_изг 1370 МПа. Области применения высокопрочных ситаллов- ракето- и авиастроение (обтекатели антенн), радиоэлектроника.

Оптически прозрачные термостойкие и радиопрозрачные химически стойкие ситаллы получают на основе стекол системы Li₂О - А1₂О₃ - SiO₂ (сподумено-эвкриптитовые составы); инициатор кристаллизации -ТiO₂. В оптически прозрачных ситаллы размер кристаллов не превышает длины полуволны видимого света. ситаллы, содержащие в качестве основных кристаллических фаз эвкриптит (Li₂O·Al₂O₃·2SiO₂) или сподумен (Li₂О · Аl₂О₄·4SiO₂), имеют, кроме того, температурный коэффициент расширения, близкий к нулю, и иногда даже отрицательный- до -5·10^-6 К^-1. Области применения - космическая и лазерная техника, астрооптика.

Износостойкие и химически стойкие ситаллы получают на основе стекол CaO-MgO-SiO₂ (пироксеновые составы); инициаторы кристаллизации- фторид или оксид хрома. Отличаются высокой износостойкостью (истираемость 0,001 г/см²) и стойкостью в различных химических средах. Применяются в текстильной, химической, автомобильной промышленности, буровой и горнодобывающей технике.

Фотоситаллы обычно получают на основе стекол системы Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ со светочувствительными добавками (соединения Аu, Ag, Сu), которые под действием ультрафиолетового облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют его избирательной кристаллизации. Находят применение в микроэлектронике, ракетной и космической технике, оптике, полиграфии как светочувствительные материалы (например, для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров).

Слюдоситаллы получают на основе стекол системы MgO-Al₂O₃-SiO₂-K₂O-F (фторфлогопитовые, фтор-рихтеритовые, фторамфиболовые составы). Сочетают высокие механические и электрические свойства с хорошей механической обрабатываемостью- их можно резать, сверлить, фрезеровать, шлифовать. Применяются в машиностроении для изготовления деталей, подвергающихся трению и износу, а также в качестве материала для деталей сложной конфигурации.

Дифситаллы получают обычно на основе стекол системы СаО - MgO - SiO₂ - Р₂О₅ (апатито-волластонитовые составы). Высокая механическая прочность, биологичекая совместимость с тканями организма позволяют использовать их в медицине для зубных и костных протезов.

Ситаллоцементы, получаемые на основе стекол системы PbO-ZnO- В₂О₃ - SiO₂, имеют очень низкий коэффициент теплового расширения (4-10) · 10^-6 К^-1; применяются для спаивания стеклодеталей цветных кинескопов и электроннолучевых трубок, герметизации полупроводниковых приборов, в производстве жидкокристаллических индикаторов, в микроэлектронике. Перспективно также использование таких ситаллов в качестве стеклокристаллических покрытий (стеклоэмалей), наносимых на поверхность различных металлов (W, Mo, Nb, Та, их сплавов, различных видов стали) с целью защиты их от коррозии, окисления и износа. Отличаются повышенной термо- и жаростойкостью, устойчивостью к истиранию, высокой механической и электрической прочностью. Применяются в качестве покрытий для деталей дизелей, газотурбинных установок, атомных реакторов, авиационных приборов, электронагревательных элементов.

Ситаллы со специальными электрическими свойствами получают на основе стекол систем ВаО-Аl₂О₃-SiO₂-ТiO₂ и Nb₂O₅-CoO-Na₂O--SiO₂. Характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью (e 240-1370) и низким коэффициентом диэлектрических потерь (1,5-3,2). Используются для изготовления низкочастотных конденсаторов большой емкости, пьезоэлементов и др. Разработаны полупроводниковые, ферромагнитные, ферро-электрические, сегнетоэлектрические ситаллы с различным сочетанием электрических свойств.