Неметалеві аморфні та аморфно-кристалічні матеріали — Енциклопедія Сучасної України

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 розм’як­шується, переходячи із твердого крихкого в тягучий високов’яз­кий і, нарешті, в плинний рідин. стан – скломасу. При охолодженні, внаслідок прогресив. наростання в’язкості, при тих же значеннях т-ри відбувається зворот. перехід: скломаса загусає, перетворюючись у скло. Склоподіб. стан притаманний числен. класу речовин – від елементарних (сірка, селен, миш’як) 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 об’єму скляного вироб-ва. 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 в’язкості. Найбільші показники в’язкості 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 миш’яку та ін., мають здатність до розсіювання світла. Принцип. схема вироб-ва 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 т-ри 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 т-ри розм’якшення). Різноманітність складів і пов’язаних 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 об’єм. 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 об’є­му. 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 від’єм. 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), т-ру розм’як­шення (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 миш’яку 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 в’яжуче, 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 т-ри. Зносо- та хімічностійкі ситали застосовують у хім. пром-сті 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 т-ри 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.

Літ.: Бережной А. И. Ситаллы и фото­ситаллы. Москва, 1966; Технология стекла. Москва, 1967; Павлушкин Н. М. Ос­новы технологии ситаллов. Москва, 1979; Химическая технология стекла и ситаллов. Москва, 1983; Косинская А. В. Аморфные и аморфно-кристаллические неметаллические материалы // Неорган. материаловедение. Материалы и технологии. К., 2008. Т. 2, кн. 1.

А. В. Косинська

Статтю оновлено: 2021

Покликання на статтю
А. В. Косинська . Неметалеві аморфні та аморфно-кристалічні матеріали // Енциклопедія Сучасної України: електронна версія [веб-сайт] / гол. редкол.: І.М. Дзюба, А.І. Жуковський, М.Г. Железняк та ін.; НАН України, НТШ. Київ: Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2021. URL: https://esu.com.ua/search_articles.php?id=73516 (дата звернення: 25.09.2021)