Неметалеві аморфні та аморфно-кристалічні матеріали

НЕМЕТАЛЕ́ВІ АМО́РФНІ ТА АМО́РФНО-КРИ­СТАЛІ́ЧНІ МАТЕРІА́ЛИ Типовим зразком неметал. аморф. речовини є неорганічне скло. Це твердий, крихкий, однорідний, більш-менш про­зорий матеріал, що одержують шляхом пере­охолодже­н­ня неметал. роз­плаву, незалежно від хім. складу та температур. діапазону твердне­н­ня. Склоподіб. стан за­ймає проміжне положе­н­ня між кри­сталічним і рідким. Збереже­н­ня форми робить скло подібним до твердих кри­сталіч. речовин; від­сутність кри­сталів у структурі — ідентичним рідині. Стекла, на від­міну від кри­­сталів, ізотропні, тобто мають однакові фіз. властивості у всіх напрямках. У скла немає ви­значеної точки плавле­н­ня. При на­гріван­ні воно по­ступово роз­мʼяк­шується, пере­ходячи із твердого крихкого в тягучий високовʼяз­кий і, нарешті, в плин­ний рідин. стан — скломасу. При охолоджен­ні, внаслідок про­гресив. наро­ста­н­ня вʼязкості, при тих же значе­н­нях температури від­бувається зворот. пере­хід: скломаса загусає, пере­творюючись у скло. Склоподіб. стан притаман­ний числен. класу речовин — від елементарних (сірка, селен, мишʼяк) до складних багатокомпонентних. За типом осн. аніона, стекла можуть бути кисневмісні та без­кисневі. Осн. види продукції одержують з кисневміс. скла на основі двоокису кремнію. Таке скло називають силікатним, воно складає 95 % усього обʼєму скляного виробництва. Найбільш простий склад має кварц. скло (99,95 % SiO₂). Двокомпонентним є натрій силікатний (73 % SiO₂, 27 % Na₂O), що добре роз­чиняється у воді. Пром. сполуки — багатокомпонентні (5–9 компонентів). Окрім складу, стекла різняться й за при­значе­н­ням (вікон­не, хіміко-лабораторне, мед. тощо). Під час синтезу скла використовують понад 60 елементів періодич. системи Д. Менделєєва. Важливою характеристикою, що має вплив на параметри технол. процесу одержа­н­ня скловиробів, є температур. хід вʼязкості. Найбільші показники вʼязкості має кварц. скло. Поверх­невий натяг пром. скла у 3–4 рази вищий, ніж у води, водних роз­чинів, роз­плавів солей. У твердому стані скло крихке, чутливе до мех. впливів, особливо до удару. Проте, опір стиску у скла такий самий, як у чавуну. Міцність внутр. шарів виробу від­носно до міцності його поверх­ні становить 2,5–4,0, іноді досягає 10. На цьому ґрунтуються різні способи зміцне­н­ня скла (гартува­н­ня, армува­н­ня, триплексува­н­ня, травле­н­ня поверх­ні, обробле­н­ня її роз­плавами солей та ін.), що до­зволяє під­вищити опір згинан­ню в 4–10 разів. Склу притаман­не явище втоми — зниже­н­ня міцності в умовах довготривалого зовн. навантаже­н­ня, що під­силюється впливом вологи, а також продуктів атмо­сфери. Скло від­значається дуже низькою тепло­провід­ністю та здатністю змінювати в широких межах (залежно від складу) коефіцієнт терміч. роз­шире­н­ня. Найменше термічне роз­шире­н­ня притаман­не кварц. склу, найбільше — свинецьвмісному. Скло більш стійке в умовах різкого на­гріва­н­ня, ніж при різкому охолоджен­ні. Воно має високу стійкість до дії вологої атмо­сфери, води, деяких кислот, нейтрал. або кислих солей. Не­стійке при уживан­ні лужних роз­чинів, фосфатів, фосфор. та плавик. кислоти. Стекла проявляють ді­електр. властивості. Майже ідеал. ізолятор — кварц. скло. Залежно від хім. складу стекла можуть змінювати світлозаломле­н­ня, світлорозсіюва­н­ня та по­глина­н­ня у видимій, ультрафіолет., інфрачервоній і рентґенів. частинах спектра. Під впливом потуж. зовн. ви­промінюва­н­ня скло здатне до люмінесценції. Оптичні показники регулюють унаслідок зміни хім. складу. Особливістю скла є світло­про­зорість, що досягає в оптичного 99,95 %, а у кварцового вона висока в ультрафіолет. області. Можливе вибірк. по­глина­н­ня у видимій частині спектра у скла, що містить барвники. Колір скла залежить від виду барвника, валент. і ко­ординац. стану фарбуючого катіона. «За­глушені стекла», в склад яких при виготовлен­ні уводять фториди, фосфатні сполуки, оксиди мишʼяку та ін., мають здатність до роз­сіюва­н­ня світла. Принцип. схема виробництва скла вимагає під­готовки сировини і приготува­н­ня шихти із суміші природ. та штуч. солей. У печі, куди завантажують шихту, одержують роз­плав скломаси. Її витримують при від­повід. т-рі, щоб звільнити від сторон. включень і створити необхід. ступінь однорідності, потім охолоджують до температури виробле­н­ня. Набуваючи текучості, скло легко роз­тікається поверх­нею, його виливають у форму, витягують у ви­гляді стрічок, порож. циліндрів (труб, стрижнів), роз­дувають у тонкі волокна, потім за­стосовують процеси видува­н­ня, пресува­н­ня та прокатува­н­ня. Від­формов. вироби від­палюють, повільно охолоджують за за­даним режимом, від­різають та від­плавляють краї, шліфують, наносять малюнок, здійснюють травле­н­ня. Деякі види скла гартують (швидко охолоджують від температури роз­мʼякше­н­ня). Різноманітність складів і повʼязаних з ними властивостей об­умовила широку сферу викори­ста­н­ня скла в різних галузях: у буд-ві, хім., харч., парфумер. і мед. пром-стях, приладобудуван­ні, електротехніці, на транс­порті, в атом. техніці. Для захисту виробів у харч. і ювелір. пром-стях виготовляють покривні стекла: емалі для металу та глазурі для кераміки. Спец. види силікат. скла: лазерні, фото- та поліхромні, для світловолокон. оптики, оптично- та магніто­активні для ультра­звук. ліній затримки. Несилікатні стекла — припайні, оптичні, жаро­стійкі. Деякі види скла мають напів­провід­ник. властивості, високу світло­проникність у довгохвильовому й інфрачервоному спектрах. Ситали — це полікри­сталічні матеріали, що одержують внаслідок регульов. кри­сталізації скла ви­значеного складу, що мають, порівняно із цим склом, більш високі фіз.-хім. властивості. Усі ві­домі ситали умовно поділяють на тех. і такі, що одержують на основі пром. від­ходів і гірських порід. Залежно від конкрет. вимог до властивостей склад осн. типів може бути модифікований домішками оксидів різних металів. Для здійсне­н­ня обʼєм. кри­сталізації скла у шихту вводять каталізуючі домішки (метали, неметал. сполуки). Ситали складаються з кри­сталіч. і залишк. склоподіб. фаз. Роз­мір кри­сталів 0,02–1,0 мкм, їх концентрація змінюється в межах 20–90 % від обʼє­му. Тех. ситали отримують у різних системах, більшість з яких — силікатні. Залежно від компонентів, що використовують, кількіс. та якіс. фазового складу матеріалу вони мають різні властивості. Ситали, гол. кри­сталіч. фазою яких є мінерал сподумен, можуть мати нульовий, додатний або від­ʼєм. коефіцієнт терміч. роз­шире­н­ня. Вони не чутливі до тепл. удару, їх можна на­грівати та охолоджувати з будь-якою швидкістю. Ситали кордиєрит. складу мають високі показ­ники опору згинан­ню 140–260 Мпа. При заміні одних оксидів іншими або при викори­стан­ні модифікаторів можуть бути синтезовані ситали з термо­стійкістю 1230 °С та різними показниками ді­електр. властивостей. Про­зорі ситали вирізняються малим роз­міром кри­сталітів (не більше довжини пів­хвилі видимого світла) та збігом або близькістю показників заломле­н­ня кри­сталів і скла. Залежно від складу вони можуть бути про­зорими у видимій чи ін­фрачервоній частині спектра. Роз­роблено ситали, що по­глинають повіл. (тепл.) нейтрони. Такі матеріали мають високу густину (до 4600 кг/м³), температуру роз­мʼяк­ше­н­ня (до 1000 °С), а коефіцієнт по­глина­н­ня нейтронів у них у 2 рази вищий, ніж у сталі з вмістом бору 4 %. Високовогнетривкі ситали хімічно інертні до роз­плавленого металу та зберігають стабільність роз­мірів до 1550 °С. Слюдоситали, маючи до­статні характеристики міцності, високу термо­стійкість (до 800 °С), добре оброблюються на звичайних металооб­роб. вер­статах. Унаслідок уведе­н­ня в склад скла ви­значених оксидів можливо одержувати кольор. зразки із суціл. або поверх­невим забарвле­н­ням. Особливу під­групу тех. ситалів складають фотоситали. Їх одержують фототерміч. обробле­н­ням скла, що містить спец. домішки світлочутливих металів (золота, срібла або міді), терміч. сенсибілізаторів (оксидів сурми, олова та ін.) і оптич. сенсибілізатора CeO₂. Під впливом опроміне­н­ня, сенсибілізації або термооб­робле­н­ня формують зародки металів, що потім за рахунок або цих же металів, або силікат. фази зростають до колоїд. роз­мірів (1 мкм). Унаслідок цього утворюється матеріал, що має кольор. або прозоре зображе­н­ня. Фотоситали вирізняються вакуум. щільністю, термо­стійкістю, сталістю до дії агресив. рідини, газу, лужних оксидів і можуть мати вибірк. роз­чин­ність у роз­бавленій плавик. кислоті. Ситали одержують й із несилікат. стекол, у яких як скло­утворювачі використовують оксиди бору, фосфору, германію, а також селеніди мишʼяку та різних металів. Такі матеріали мають тонкодис­персну структуру та під­вищену щільність, міцність, абразивну та хім. стійкість. Ситали на основі пром. від­ходів виготовляють із домен., конвертер., фосфор. шлаків (шлакоситали), від­ходів збагачув. вироб-в, ТЕС (золоситали), вивержених, осадк., метаморфіч. гірських порід (нетроситали). Їх властивості, як і тех. ситалів, ви­значаються видом і кількістю кри­сталіч. фази, роз­мірами, габітусом кри­сталітів, структурою, складом і кількістю залишк. скла, що адитивно робить свій внесок у характеристики матеріалу. Гол. властивості шлако-, золо- і петроситалів: висока міцність, твердість, хім. стійкість, опір стиран­ню. Шпаристий кри­сталіч. шлакопіноситал з роз­міром пор 0,6–10 мм має високі теплоізоляц. властивості. Ситали також одержують зі скла, що містить каталізатор і хім. компоненти, з яких внаслідок термооб­робле­н­ня можуть бути сформовані кри­стали за­даних фаз. Використовують пере­важно скляну та керам. (порошк. метод) технології, винятково — хім. спосіб. За керам. технологією з роз­плаву скла спочатку одержують гранулят, що по­дрібнюють і висушують. До нього додають термопластичне вʼяжуче, а зі створеної маси пресува­н­ням або шлікер. ли­т­тям формують вироби. Потім за­стосовують високотемпературне спіка­н­ня з одночас. кри­сталізацією. Каталізатор кри­сталізації уводять у склад скла перед скловарі­н­ням або додають до скляного порошку. Термо­стійкі ситали використовують для виготовле­н­ня деталей теплооб­мін­ників, виробів побут. при­значе­н­ня, оболонок високотемператур. ламп, у кон­струкціях апаратів і приладів, що екс­плуатують в умовах різкого пере­паду температури. Зносо- та хімічно­стійкі ситали за­стосовують у хім. промисловості для виготовле­н­ня трубо­проводів, пар тертя, плунжерів, деталей насосів, башт, змішувачів, запір. клапанів, покрит­тів електроліз. ванн та ін. З них можна виготовляти футеровку та наповнювачі для по­дрібне­н­ня у кульові млини, метричні міри довжини, точні калібри, нитководії та фільєри для витягува­н­ня волокна, електрона­грівачі з провід. плівкою та деталі устаткува­н­ня, що екс­плуатують в умовах абразив. зношува­н­ня. Оптичні ситали використовують для виготовле­н­ня астродзеркал теле­скопів, що зберігають одну і ту ж кривизну незалежно від зміни температури довкі­л­ля. Електроізоляц. та радіо­про­зорі ситали використовують для виготовле­н­ня конденсаторів і ді­електриків, високовольт. ізоляторів у місцях, де не витримує скло, високовольт. фарфор або кераміка. Фотоситали за­стосовують у електроніці: мікромодул. плати, тонкі панелі схем друкува­н­ня, пластини для фото­електрон. збільшувачів та ін.

Завантажити статтю