В последние десятилетия создан и используется новый класс материалов – ситаллы (стеклокристаллические материалы), отличающиеся высокими показателями физико-механических свойств.

Ситаллы (стеклокристаллические материалы) - неорганические мате­риалы, получаемые направленной кристаллизацией различных стекол при их термической обработке. Состоят из одной или нескольких кристаллических фаз. В ситаллах мелкодисперсные кристал­лы (до 2000 нм) равномерно распределены в стекловидной матрице. Количество кристаллических фаз в ситаллах может составлять. 20-95% (по объему). Изменяя состав стекла, тип инициато­ра кристаллизации (катализатора) и режим термической обра­ботки, получают ситаллы с различными кристаллическими фазами и заданными свойствами. Впервые ситаллы были изготовлены в 50-х гг 20 века. Материалы, подобные ситаллам, за рубежом называются пирокерамом, девитрокерамом, стеклокерамом.

Ситаллы обладают высокой прочностью, твердостью, изно­состойкостью, малым термическим расширением, химической и термической устойчивостью, газо- и влагонепроницаемостью. По своему назначению могут быть разделены на технические и строительные. Технические ситаллы получают на основе систем: Li2O-Al2O3-SiO2, MO-Al203-SiO2, Li2O-МО-А12О3--SiO2, где M-Mg, Ca, Zn, Ba, Sr и др.; MgO-Al2O3--SiO2-K2O-F; МО-В2О3-А12О3 (где M-Ca, Sr, Pb, Zn); PbO-ZnO-B2O3-Al2O3-SiO2 и др. По основному свойству и назначению подразделяются на высокопрочные, радиопро­зрачные химически стойкие, прозрачные термостойкие, из­носостойкие и химически стойкие, фотоситаллы, слюдоситаллы, биоситаллы, ситаллоцементы, ситаллоэмали, ситаллы со специальными 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 ТiO2; σизг для них 240-350 МПа. Ситаллы нефелиновых составов после упрочнения ионообменной обработкой в расплавленных солях калия имеют σизг 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 Li2O-Al2 O3-SiO2 (сподумено-эвкриптитовые составы); инициатор кристаллизации-TiO2. В оптически прозрачных ситаллах размер кристаллов не превышает длины полуволны видимого света. Ситаллы, содержащие в качестве основных кристаллических фаз эвкриптит (Li2 О • А12 О3 • 2SiO2) или спо­думен (Li2 О • А12 О4 • 4SiO2), имеют, кроме того, темпера­турные коэффициенты расширения близкие к нулю, и иногда даже отрицательные - до - 5·10-6 К-1. Области применения -космическая и лазерная техника, астрооптика. Введение в состав таких ситаллов активаторов люминесценции и специальных добавок позволяет применять их в солнечных батареях.

Износостойкие и химически стойкие ситаллы получают на осно­ве стекол CaO-MgO-SiO, (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 УФ 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 - А12 О3 - SiO2 - К2 О - F (фторфлогопитовые, фторрихтеритовые, 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.

Биоситаллы получают обычно на основе стекол системы СаО - MgO - SiO2 - Р2 О 5 (апатито - волластонитовые составы). Высокая механическая прочность, биологическая совместимость с тканями организма позволяют использовать их в медицине для зубных и костных протезов.

Ситаллоцементы, получаемые на основе стекол системы PbO-ZnO-B2O3-SiO,. имеют очень низкий коэффициент теплового расширения (4-10)·10-6 К-1; применяются для спаивания стеклодеталей цветных кинескопов и электронно-лучевых 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, Mb, Та, их сплавов, различных видов стали) с целью защиты их от коррозии, окисления и износа при обычных и повышенных температурах. 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 BaO-Al2O3-SiO2-TiO2 и Nb2О5-СоО-Na2O-SiO2. Характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью (ε 240-1370) и низким коэффициентом диэлектрических потерь (1,5-3,2). Используются для изготовления низкочастотных конденсаторов большой емкости, пьезоэлементов и др. Разработаны полупроводниковые, ферромагнитные, ферроэлектрические, сегнетоэлектрические ситаллы с различным сочетанием электрических свойств. Ситаллы на основе стекол системы MgO-Al2O3- SiO2 имеют очень низкий tg δ (3• 10-4 при 25ºС и 104 МГц), ситаллы на основе метаниобата Pb - высокую диэлектрическую прониицаемость (ε 1000-2000). На основе стекол B,O3-BaO-Fe2O3 получены ситаллы с одно- и многодоменной структурой с размером доменов ~ 500 нм.

К группе строительных ситаллов относят шлако-, золо-, петроситаллы, получаемые с использованием шлаков черной и цветной металлургии, зол, горных пород. В зависимости от химического состава используемых отходов, определяющих вид доминирующей кристаллической фазы, подразделяются на волластонитовые, пироксеновые (инициаторы кристаллизации - оксиды Cr, Ti, Fe, фториды), мелилитовые (система СаО - MgO - 2А12 О3 - SiO2, инициатор кристаллизации - оксид Сr), пироксен-авгитовые и геденбергитовые (система СаО - MgO – Fe2O3 - А12О3 - SiO2), форстеритовые (система CaO-MgO-SiO2) и эгириновые (Na2O-Fe2O3-SiO2) ситаллы. Они имеют высокие прочностные характеристики (σизг 100-180 МПа), высокую микротвердость (8500-9000 МПа), относительно низкую истираемость (0,05 г/см2), высокую стойкость к химическим и термическим воздействиям. Применяются в строительстве, горнодобывающей, химической и других отраслях промышленности.