Ситали: фізико-механічні властивості, структура, сировина для їх виготовлення

Ситали – це склокристалічні матеріали, що отримуються шляхом майже повної стимульованої кристалізації скла спеціально підібраного складу. Вони займають проміжне положення між звичайними стеклами і керамікою.

Ситали – це продукти кристалізації малолужного скла, яка здійснюється за спеціальним режимом термообробки.

Ситали – непрозорі білого кольори склокристалічні матеріали високої термостійкості. Їх виготовляють шляхом напрямленої кристалізації літійалюмосилікатного скла в процесі спеціальної термічної обробки.

Ситали одержують на основі неорганічного скла шляхом їх повної або часткової керованої кристалізації. Від неорганічних стекол вони відрізняються кристалічною будовою, а від керамічних матеріалів - більш дрібнозернистою і однорідною мікрокристалічною структурою.

По структурі ситали являють собою композиційні матеріали зі скловидною аморфною неперервною фазою-матрицею, наповненою малими кристалами скла. Середній розмір кристалів в ситалах 1-2 мкм, а товщина прошарків склофази не перевищує десятої долі мікрона. Об’єм кристалічної фази в ситалах досягає 90-95%. Сировиною для виготовлення ситалів є ті ж природні матеріли, що і для скла, але до чистоти сировини висуваються дуже високі вимоги. Крім того, у розплав вводять добавки, що каталізують кристалізацію при наступній термообробці.

Рівномірна кристалізація всієї скломаси забезпечується спеціальним режимом термічної або іншої обробки; часто в початкову сировину для варива ситалів включають особливі добавки, наприклад фториди.

У якості каталізаторів кристалізації використовують з’єднання фторидів чи фосфатів лужних та лужноземельних металів. Технологія виготовлення виробів зі ситалів не відрізняється від технології виготовлення виробів зі скла (отримання шихти - вариво скла - формування виробів - відпал виробів), потрібна лише додаткова термічна обробка скла в кристалізаторі (слідує за формуванням або проводиться після відпалу).

Крім того, температура варіння скломаси для ситалів може бути вищою: 1300…1700°С. 

Кристалізацію виробів розділяють на 2 стадії:

Температура скління відповідає режиму, при якому з'являються центри кристалізації;

Температура максимального зростання кристалів.

За зовнішнім виглядом ситал - це щільний дрібнозернистий матеріал, колір якого залежить від складу шихти і каталізатора. Так, колір ситалу, виготовленого з скляної шихти і каталізатора з сильфіду заліза, чорний, з оксиду цинку - білий, оксиду хрому - голубий.

 

Накопичені до теперішнього часу розрахункові і емпіричні дані, а також сучасні уявлення про структурні чинники дозволяють, з одного боку, скласти наближену характеристику ролі окремих компонентів, оцінити їх внесок в ту або іншу властивість і з високим ступенем достовірності прогнозувати властивості стекол. З другого боку, вплив відповідних оксидів на властивості скломаси і скла визначає вибір відповідних сировинних компонентів для їх внесення в скляну шихту. Сировинні матеріали для виробництва скла і ситалів поділяють на дві групи - головні і допоміжні. 

Такий поділ достатньо умовний, так як велика частина допоміжних сировинних матеріалів при варінні спеціального скла є головними для цього складу скла. До головних сировинних матеріалів в шихту вводять основні склоутворюючі оксиди, що утворюють основу скла та встановлюють його властивості.

 

Ситали відрізняються від інших будівельних матеріалів високими фізико-механічними властивостями (таблиця №1). 

Вони мають високу середню густину, підвищену стійкість до корозії. Ці властивості визначають високу довговічність і міцність матеріалів. Листи і плити з ситалів застосовують як облицювальний матеріал, для виготовлення труб. Плоский і хвилястий ситал використовують для крівлі.

 

Таблиця №2

Порівняльні властивості ситалів

ПоказникиСиталШлакоситалПетроситалСкло віконнеСталь

 

Середня густина, кг/м2600.. .29002600…28002900...30002500…26007800

Границя міцності, МПа:

при стисканні800...1000500...650700...850600...700420…550

при згині100...22590...130130…17060...70400…1600

Модуль пружності,

E• 10³ МПа72…13590...10040…5060...70210...220

Водопоглинання, %ООООО

Кислотостійкість, %97,8...98,998,8...99,899,855...58-

Лугостійкість, %-94,7...90,094...9698,9-

Стиранність, г/м²-0,01-0,5...0,6-

 

Речовина в склоподібному стані метастабільна і при нагріванні прагне перейти в термодинамічно стійкий, кристалічний стан. Виникаючі в склі при мимовільній кристалізації кристали - чужорідні включення - псують зовнішній вигляд виробів, знижують їх механічну міцність і термостійкість. 

Проте при направленій кристалізації можна так підібрати її умови і склад маси так, що отриманий матеріал набуде таких властивостей, як високу міцність, вогнетривкість і термостійкість. 

На цій основі базується отримання одного з найсучасніших матеріалів - ситалів. 

Так називають штучні полікристалічні матеріали, отримані направленою кристалізацією скла відповідного хімічного складу і наділеними більш високими в порівнянні з склом фізико-технічними властивостями.

 

 

Процес перетворення скла в ситал проходить в дві стадії:

1.Спочатку в склі утворюються центри кристалізації (стадія зародкоутворення);

2.а потім на цих центрах ростуть кристали різного розміру (стадія зростання кристалів).

Структура ситалізованих скломатриць: а – микроліквація (530°С), б – перед кристалічний період (700 °С), в – мікрокристалізація (860 °С), г – завершення формування ситалової структури утворенням голчатих кристалів (940-960 °С) [4]

 

 

Розрізняють два основні механізми утворення центрів кристалізації:

 - гомогенний - мимовільне зародкоутворення;

 - гетерогенний - поява зародків в результаті внесення основних частинок ззовні.

Утворення зародків по гомогенному механізму пов'язано з особливим станом охолоджуваної рідини, коли зростає вірогідність виникнення мікроскопічних згустків молекул - флуктуацій. Ці флуктуації густини можуть давати поєднання молекул, здатні стати зародками нової фази. Хімічний склад кристалів в цьому випадку буде ідентичний складу центрів кристалізації.