Мой папа очень любит смотреть телевизор. И смотрит всегда все передачи, даже музыкальные клипы, самым внимательнейшим образом. И если я, не дай Бог, заслоню экран хотя бы на минуту, он нервно выкрикивает: "Ты что, стеклянная?" Или: "У тебя что, отец - стекольщик?" Последнее замечание, надо сказать, повергает меня в легкое замешательство. Все время подмывает дать закономерный ответ родителю, мол, вам с мамой тут виднее, кто же был мой папаша. Во всяком случае, нынешний горячо любимый папа вовсе никакой не стекольщик, зато наш сосед... Сосед - самый настоящий стеклянных дел мастер. М-да: А въехал-то он в наш дом как раз примерно за год до моего рождения. Но это я так, к слову...



Человек он душевный и честный, влюбленный в свое дело. Можно сказать, патриот Стекла. О чем бы мы с ним ни беседовали, он обязательно переводит разговор на любимую <стеклянную> тему. Может говорить об этом часами. Недавно я даже вспылила: "Сан Саныч, я тебя про жизнь спрашиваю, а ты мне все о стекле да о стекле!" На что Сан Саныч обиделся и попенял мне: "Ты, красавица, еще дитя неразумное. Подумай сама, что была бы за жизнь, не будь в ней стекла?"



Я попыталась представить настоящее без стекла. Да уж, картина получилась несколько мрачноватая. Вокруг - дома с окнами, затянутыми слюдой или бычьими пузырями (это где же столько быков взять?!). Просыпаясь по утрам, мы наводили бы красоту, смотрясь в полированный оловянный или медный поднос. Современных фонарей бы не было, а ночные улицы освещали бы парафиновые свечи. Да что говорить: если б не изобрели стекло - до сих пор не было бы телескопа, а мы бы так и жили с мыслью, что земля плоская. Жуткое дело!



Ужасная картина жизни без стекла ширилась и росла в моем воображении: Секундочку, а как бы я жила без очков? "Да здравствует тот чудак, которому пришла в голову идея варить из песка стекло!" - радостно возопила я, прервав свои мысленные фантазии.



От этих "правильных" слов милейший Сан Саныч воспрял духом. И его рассказ о стекле продолжался четыре часа подряд. Но зато я узнала много нового и интересного. Выяснилось, что история стеклоделия насчитывает почти восемь тысячелетий. Вот такая существует легенда по этому поводу. Купцы ехали караваном по Аравийской пустыне. Среди прочих товаров они перевозили соду. Остановились на ночлег, развели костер и обложили его мешками с содой, чтобы огонь не задуло. А наутро они обнаружили стеклянную глыбу. Это было поразительное стечение обстоятельств: ведь песок плавится при температуре 1710С, а если добавить соду, то температура плавления снижается до 720 . Тогда, конечно, ни о каких градусах понятия не имели, но стекло тем не менее получилось. Здорово, правда?



Одно из древнейших изделий из стекла - стеклянные бусы - археологи нашли в Месопотамии, они относятся примерно к 2450 году до нашей эры. Тогда люди просто откалывали кусочки от большой стеклянной глыбы и камнем (булыжником) придавали этим кусочкам форму бусинок.



Сейчас мы привыкли к стеклу, как к солнцу в ясную погоду или лужам после дождя. Но в XX веке такого наизобретали, что просто диву даешься, до чего дошел научно-технический прогресс!



Вот так халява!



Но обо всем по порядку. Выяснилось, что к простому прозрачному стеклу в наших окнах мы шли долгим и извилистым путем.



Получив однажды стекло случайно, человек затем стал варить его в самых обычных горшках на костре или в печи, точно так же, как варили похлебку. Но вместо мяса и капусты в горшок насыпали порошок, состоящий из песка, соды (Na2 CO3) или золы, а также мела, доломита, глинозема (полевого шпата). Этот порошок называется шихта. Все свойства готового стекла (прочность, прозрачность, цвет, химическая стойкость) зависят от того, какую приготовят шихту. Можно смешать только два компонента: песок и соду - получится не очень прозрачное мутное стекло, которое легко растворяется в обычной воде. Состав из 3 компонентов - песка, соды, глинозема - придает стеклу термическую и химическую стойкость, увеличивает прочность и твердость. А если в эту трехкомпонентную шихту добавить, кроме песка, соды и глинозема, еще красители - соединения хрома, или соединения кобальта, или оксид никеля, то получится цветное стекло: соответственно зеленое или синее, или красно-фиолетовое.



После изобретения стекла прошло несколько тысячелетий, и в I веке уже нашей эры римскими стеклодувами впервые была использована стеклодувная трубка - стекло стали выдувать, как дети выдувают пузырь из мыльной жидкости. Такому выдутому <пузырю> можно потом придать любую форму. Точно так же стеклодув выдувал (в несколько приемов) и халяву: Стоп, читатель! Это совсем не то, что ты успел подумать. Так называлась выдутая мастером заготовка цилиндрической формы. Похожа халява на гигантскую, с человеческий рост, сардельку. Сардельку-халяву разрезали вдоль и раскладывали на столе. Получался лист стекла. Это был халявный метод изготовления листового стекла, который и продержался до начала ХХ века. Первыми стеклодувами у нас в России были исключительно иностранцы. А первый стекольный завод, открытый в начале XVII века, был в селе Духанине. Однако их никогда не называли халявщиками ни в старом, ни в новом значении этого слова. А почему слова "халява" и "халявный" получили потом такой обидный смысл - история умалчивает.



Изготовленное этим методом листовое стекло было, правда, таким кривым, что самая писаная красавица, ждущая у окошечка своего суженого, казалась кикиморой.



ХХ век - эра стекла



Сейчас стекло превратилось в привычный и надежный строительный и отделочный материал. И разновидностям его теперь несть числа. При желании можно даже стены и полы из него делать. А что, красиво - гораздо оригинальнее железобетона, правда, значительно дороже.



Со временем изменилась не только технология изготовления стекла, но и состав шихты. Кроме основных компонентов, о которых мы рассказали, в нее может быть добавлено еще более 20 других. В зависимости от них стекло приобретает новые и самые разнообразные свойства. Шихту можно назвать папой и мамой ребеночка-стекла: какие у них качества, такой и ребеночек получится. Кроме того, на обыкновенное стекло делают самые различные напыления. Благодаря этому оно приобретает всевозможные свойства, например, оберегает нас от солнечной радиации и ожогов, а имущество - от выгорания. Ультрафиолет не пропускают стекла, полученные либо методом напыления, либо при варке шихты специального состава (например, стекло с красителем Fe2O3 + FeO).



Восхитившись такими чудесными свойствами стекла, я, естественно, попросила Сан Саныча рассказать об этом. То-то порадовался мой родимый стекольщик!



Поскольку первое листовое (халявное) стекло было далеко от идеала, пролетарии всех стран бились над тем, как сделать его гладким и ровным. Когда в начале ХХ века придумали метод вытяжки стекла, мастеров-стеклодувов заменили машины.



Процесс вытяжки стекла можно объяснить так: стеклянная масса, постепенно остывая, проходит через целую систему валиков, которые вытягивают будущее стекло. Этот метод позволяет получать тонкие листы стекла достаточно больших размеров, правда, потом их обязательно нужно отшлифовать и отполировать. Большинство отечественных заводов сегодня делают стекло именно этим методом.



Но такое стекло тоже не очень ровное и допускает искажение изображения. Кстати об искажении. В метро ездите часто? Если да, то поймете, о чем речь. Вы наверняка обращали внимание на отражение в вагонном стекле сидящего рядышком пассажира и думали: "Ну и урод! Как можно с таким лицом жить? То ли дело я!" Не хочу вас расстраивать, но вы тоже, мягко говоря, не красавец (я имею в виду отражение в стекле). С другой стороны, если заняться в дороге больше нечем, можно покорчить рожицы и поднять настроение себе и окружающим.



На Западе, правда, уже придумали, как с этим бороться. Они наших национальных русских развлечений не понимают. Поэтому, например, английская компания "Пилкингтон" (Pilkington) придумала в 60-е годы новую технологию изготовления стекла флоат-методом, которая стала настоящей революцией в стекольном производстве. Суть в следующем: стекольная масса вливается в ванну с расплавленным оловом. Когда масса остывает, получается идеально ровная поверхность, не требующая ни шлифовки, ни полировки, как предыдущая технология. Сейчас весь мир перешел на стекло, изготовленное флоат-методом, но в России пока работают всего пять флоат-линий. Зато в метро ездить не скучно.



Энергосберегающее (теплозащитное) стекло



Оно сейчас расходится на ура во всем мире. И неспроста. Зимой энергосберегающие стекла сохраняют тепло, летом - прохладу. Подсчитано: благодаря этим стеклам удается сократить расходы электроэнергии примерно на 30%. И вообще снижение тепловых потерь чудодейственным образом отражается на климате всей планеты - позволяет избежать глобального потепления. Так что, приобретая такие стекла, вы совершаете поступок вселенского масштаба.



Я поняла, что технология изготовления таких стекол вообще тема для отдельного разговора. Поэтому мы поговорим об этом в следующий раз. А пока пойдем дальше.



Тонированное, цветное и зеркальное стекло



Тонированное и зеркальное стекло - стекло, имеющее соответствующую пленку. На зеркальное наносится тончайшая пленка из серебра, цветное - может быть за счет пленки или за счет добавления какого-либо красителя в шихту.



Очень популярны сейчас тонированные (с легким оттенком коричневого, зеленого и т.д.), цветные (с ярким насыщенным цветом) стекла и те, что с зеркальным эффектом.



Тонировать стекло, прошедшее отжиг, можно через любой промежуток времени (хоть через год). Делают это так: стекло снова нагревают до 600-700 градусов, потом пульверизатором наносят раствор специальной пленкообразующей соли. В результате химических реакций на поверхности стекла образуются тонкие (до 1 микрона) прозрачные пленки (оксидов металлов). Эта пленка может быть:

токопроводящей,

радиозащитной,

теплопоглощающей (голубая),

теплоотражающей (синяя),

поглощающей УФ-лучи (желтая),

зеркальной (пленка из оксида титана),

солнцезащитной (голубая) - из закиси железа,

декоративной (зеленая) и т.д.



Есть пленки, которые обладают сразу несколькими свойствами. Причем можно наносить пленки сразу после изготовления стекла и после этого направлять его на отжиг.



Тонированные и зеркальные стекла, которые используются в строительстве, придают зданиям респектабельность и солидность. Это - с одной стороны. А с другой - зеркальные стекла тщательно скрывают "внутренности" дома, оберегая вашу личную жизнь. С этими стеклами вам не страшны взгляды зевак и любопытных соседей, которые попытаются рассмотреть поближе, что творится у вас в доме. Эффект от такого стекла замечательный: вас никто не видит, зато вы видите все, что происходит на улице.



Как известно, встречают по одежке. В психологии бизнеса есть даже такой постулат: внешнее благополучие и престижный вид в лучшую сторону отражаются на ваших финансовых делах. Стекло - это "ткань", из которой "шьют" "костюм" для здания. Фасад банка, офиса, гостиницы, отделанный тонированными стеклами, создает имидж надежности, благополучия и преуспевания.



А вот тонированные и цветные стекла, из которых делают стеклянные двери и перегородки внутри помещений, придают интерьеру легкую интимность и неординарность, оставляя простор для фантазии дизайнеров.



Теперь отвлечемся от лирики и скажем, в какую копеечку может влететь вам приобретение этих стекол. Тонированные стекла стоят в среднем 5,5 - 50$ за 1 кв.м. Цветные 3,5 - 35$ за 1 кв.м. Зеркальные 16 - 95$ за 1 кв.м.



Узорчатое стекло



Те, кто считает, что гладкие стекла - это плоско и скучно, кому хочется чего-нибудь эдакого с завитками и загогулинами, могут выбрать узорчатые стекла. Их поверхность щедро украшена всевозможными орнаментами. Сейчас в Европе, например, самый "писк" - стекла с мелким-мелким геометрическим рисунком. Технология эта новая, и поэтому такие стекла стоят в четыре раза дороже обычных узорчатых.



Обычные узорчатые стекла, как мы уже говорили, получаются с помощью метода прокатки еще горячего стеклянного листа через рельефные валики. Но наши умельцы изобретают и свои способы обработки. Например, стекло "мороз" делают так - на стекло наносят силикатный клей, а затем кладут в печь. В результате получается очень похоже на те узоры, что зимой образуются на наших стеклах. Интересен и процесс рождения узорчатого стекла "метелица". Под остывающую пластичную стеклянную массу пускают воздух, который, пробивая себе путь, оставляет на стекле рельефные волны. Брака здесь, конечно, уйма. Но зато красиво и нет ни одного стекла, похожего на другое. Здесь Сан Саныч признался мне, что часто испытывает муки творчества, размышляя, как бы так "испортить" стекло, чтобы красиво было. Обычные узорчатые стекла стоят в среднем 2 - 15$ за 1 кв.м.



Безопасные и прочные стекла



Еще Сан Саныч сказал, что если бы наше привычное оконное стекло изобрели только сегодня, то его наверняка бы запретили использовать из-за несоответствия стандартам безопасности. Например, сейчас в общественных местах, где толчется много народа, стараются ставить безопасные стекла.



Самое "древнее" среди них - армированное стекло, внутри которого проходит металлический скелет-сетка. Оно получается очень просто: металлическую сетку вместе со стекломассой прокатывают между валками. Смотрится оно, надо сказать, не очень, но зато будьте уверены - осколки не разлетятся в разные стороны. В нашем доме, например, армированные стекла стоят в дверях приквартирных холлов. И хотя такое стекло, по утверждению Сан Саныча, "это уже прошлый век", оно все равно пользуется спросом: недорого и безопаснее обычного. Стоит армированное стекло в среднем 4,5 - 20$ за 1 кв.м.



Закаленное стекло более стойкое, чем армированное, и в 10 раз прочнее обычного. "Закаливающие процедуры" проводят таким образом: горячее стекло сразу после изготовления быстро остужают холодным воздухом. В результате ему не страшны ни мороз, ни жара. Если по закаленному стеклу хорошенько двинуть, оно рассыплется на множество стеклянных осколков-крошек. Но так как нет острых краев, они практически безопасны. Видели, наверное, россыпи стеклянной крошки на месте автомобильной аварии? Так вот, именно закаленные стекла применяют для "остекления" автомобилей, автобусов и прочего транспорта, входных дверей и перегородок. Неострые осколки получаются, как говорят специалисты, "за счет снятия термических напряжений внутри стекла".



Но самое надежное и безопасное стекло все-таки триплекс. Технология его изготовления примерно следующая. Между двумя листами стекла укладывают полимерную пленку и помещают в автоклав. Пленка сделана из эластичного материала - бутафоля (для самых дотошных читателей приведу название полностью - поливинилбутироль пластифицированный). При температуре выше 100 градусов пленка полимеризуется и, как клей, соединяет два листа. Как выразился Сан Саныч, "прочность триплекса на удар в 12 раз превышает прочность обычного листового стекла". Если некто попытается разбить триплекс, бедняге придется нелегко. Но в случае чего осколки не брызнут во все стороны: они повиснут на промежуточной пленке, не причинив вреда. Если пленка цветная, то триплекс получается цветной. Кроме того, такая пленка поглощает тепло или свет. Смотрится такое многослойное стекло как монолит. Еще триплекс поглощает звук. Подсчитано, что в крупных городах нам по ушам бьет не менее 72 разновидностей уличного шума, врывающегося в окна.



Стоит триплекс в среднем 30 - 40$ за кв.м.



Думаю, правда, что использовать его для окон слишком дорого. Поэтому придумали применять стеклопакеты, где два плоских стекла соединены таким образом, что между ними образуется воздушная камера. Они действительно повышают звукоизоляционные свойства в несколько раз. А теплопроводность в два раза, то есть квартира в жару не нагревается, а зимой тепло не уходит. Листы между собой склеивают, сваривают или спаивают по периметру пакета.



Защитное стекло



Из многослойного стекла делают лестницы и даже полы



Надо сказать, пленкой из полимера возможно склеить не только два стекла. Можно и больше. Хотя оптимальным вариантом пока считается трехслойный триплекс. Дальнейшее склеивание будет лишь удорожать продукт. Из многослойного стекла, как рассказывают, делают лестницы и даже полы. Я где-то читала, что стеклянный пол на смотровой площадке Останкинской телебашни тоже сделан из многослойного стекла. Но Сан Саныч считает, что это совсем другой материал. По его мнению, там пол изготовлен из прозрачного стеклокристаллического материала. Такой стеклокристаллический материал называется ситаллом. Его получают из стекол специального состава методом направленной кристаллизации (выдержка при определенных температурах для того, чтобы в стекле образовалась кристаллическая фаза). Есть и цветные ситаллы, они внешне напоминают мрамор. Свойства у ситалла просто уникальные: прозрачный как стекло, ситалл имеет прочность металла. Он более химически- и износоустойчив.



Но вернемся к многослойному стеклу. Помните, как Шерлок Холмс в фильме <Знак четырех> ловко разрезает алмазом стекло, просовывает руку в получившееся отверстие и открывает замок? На все про все у него уходит не больше минуты. Сегодня у него вряд ли бы получилось. Современные защитные стекла придется пилить алмазом очень долго. Чтобы их разбить, нужно обладать не только большим запасом времени, но и недюжинной силой.



Такие стекла имеют международную классификацию. Это означает, что она обязательна для маркировки во всех странах мира.



Стекла класса А (защита от вандализма) дают трещину, только если по ним несколько раз хорошенько ударить кирпичом. (Стоят такие стекла 30 - 120$ за 1 кв.м.) Если у вас стоят стекла, защищающие от проникновения (класс защиты Б), для них нужно что-то посерьезнее кирпича, к примеру, кувалда. Подсчитано, что, пожалуй, с 70-го удара разбить такое стекло все-таки можно. Но пока злоумышленник будет колотить по стеклу, бдительные соседи, по идее, успеют вызвать милицию. Между прочим, владельцы дорогих особняков, не желающие уродовать окна решетками, ставят именно эти стекла. И правильно делают. (Цена на эти стекла 160 - 300$ за 1 кв.м.)



Класс защиты В - пуленепробиваемые стекла. Они стоят от 150 до 1250$ за 1 кв.м.



"Нет, ты подумай - какая знатная вещь! - восхитился мой собеседник. - Из такого стеклышка можно даже танки делать, как думаешь?"



"Действительно, можно, наверное", - согласилась я и посмотрела на часы. Засиделись мы поздненько, родители, наверное, уже волнуются. Провожая до двери, Сан Саныч напутствовал меня словами:



- Ты в своей статье так и напиши, стекло - самый перспективный строительный материал нового, ХХI века. Запасы кварцевого песка, из которого стекло делают, не иссякнут практически никогда! А возможностей - уйма. Сейчас, говорят, изобрели стеклянные гвозди. Прочные, не ржавеют и не гнутся!



- Ну если дальше так пойдет, мои внуки будут строить дома из стеклянных бревен, вбивая стеклянные гвозди стеклянными молотками...



- Зря хихикаешь, в Москве на Манежной площади в ближайшее время собираются возвести стеклянный храм. Слышала?



Разъяснения специалистов



В начале нашего столетия стали внедряться стекольные печи непрерывного действия. Это такие бассейны из огнеупорного кирпича длиной до 50 метров, шириной до 11 метров и глубиной до 1,5 метра. Вдоль всей длины размещены газовые горелки. Такой бассейн вмещает 2000 тонн стекломассы и производит до 600 тонн стекломассы в сутки.



Шихта (смесь, например, из 7 компонентов - песок, доломит, мел, сода, глинозем, технические добавки и стеклообои) в виде однородного порошка засыпается в эту ванну. Горелки разогревают ее до 600-800 градусов. Порошок плавится - получается пенистый непрозрачный расплав, пронизанный пузырьками газа. Расплав движется к противоположному краю бассейна, постепенно нагреваясь до 1100-1200 градусов. При таких температурах заканчивается процесс силикатообразования. Постепенно начинается стеклообразование. Потом состав выравнивается. Масса становится однородной. Причем скорость стеклообразования почти в 10 раз ниже скорости силикатообразования. Но вот этот участок пройден. Температура поднялась выше 1400 градусов, наступил процесс осветления. Все газообразные включения должны улетучиться. Иначе мы получим испорченное стекло.



Затем идет стадия гомогенизации (усреднение). Температура - выше 1500 градусов. Время всех стадий зависит в основном от состава шихты. Общее время варки стекла такого качества (из 7 компонентов) - 5-6 дней. Стекломасса готова. Можно начать охлаждение. В конце печи (бассейна) горелок нет. Постепенно и плавно температура падает до 1100-1250 градусов. Теперь можно придать стекломассе любую форму. Когда масса затвердеет, получится нужное изделие.



Например, можно подать струю стекломассы с температурой около 1000 градусов между вращающимися валками (принцип выжимания мокрого белья). Здесь путем сжатия можно варьировать толщину стекла.



Вместо валков можно получать листовое стекло методом вертикального вытягивания через так называемую лодочку. Она "плавает" в самом конце печи в стекломассе. В лодочке проделана щель. Сквозь нее просачивается стекломасса, ее схватывают вращающиеся охлажденные валки и вытягивают вверх. Там ее подхватывают следующие валки и тянут еще выше. Таких валков может быть до 22 пар. Высота шахты, в которой они движутся, достигает 8 метров.



Но если полученное стекло просто охладить (до комнатной температуры), то оно будет очень хрупким. Понятно, что сделать из него ничего нельзя. Чтобы этого не произошло, стекло отжигают. Отжиг - это охлаждение от 980 градусов до 100 градусов по определенному режиму, то есть скорость движения ленты стекла строго контролируется. Но этот метод дает волнистое стекло, то есть неравномерное по толщине. После вытяжки ленту стекла приходится шлифовать, а потом полировать. Иначе стекло будет давать искажение. Возможно, неспециалистам все эти подробности и не интересны. Но мне кажется, что без этого наш рассказ о стекле как материале был бы неполным.



От редакции. Сегодня в мире существует огромное количество самых разнообразных видов стеклопродукции: стеклообои, стеклоблоки, стеклопластики, стеклопрофилат, жидкое стекло, гидростеклоизол... Мы - только в начале разговора о замечательных свойствах стекла.



Автор благодарит сотрудницу МГСУ О.П. Самохину за консультацию



Ситаллы — это стеклокристаллические материалы, получаемые путем почти полной стимулированной кристаллизации стекол специально подобранного состава. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. Недостатком стекол считается процесс местной кристаллизации — расстекловывание, приводящий к появлению неоднородности и ухудшению свойств стеклянных изделий. Если в состав стекол, склонных к кристаллизации, ввести одну или несколько добавок веществ, дающих зародыши кристаллизации, то удается стимулировать процесс кристаллизации стекла по всему объему изделия и получить материал с однородной микрокристаллической структурой.



Рис.9. Зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ситалла от частоты



Таблица.4. Свойства ситаллов

Свойство

Значение



Плотность

2.3-2.8 Мг/м3



Водопоглощение

0.01%



Температурный коэффициент линейного расширения

(12-120)10-7(K-1



Удельная теплопроводность

0.8-2.5 Вт/(м(К)



Температура текучести

750-13000C



Предел прочности при изгибе

50-260 МПа



Удельное объемное сопротивление

108-1012 Ом(м



Электрическая прочность

25-75 МВ/м



Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 106 Гц

(10-800)(10-4



Под керамикой понимают большую группу диэлектриков с разнообразными свойствами, объединенных общностью технологического цикла.

Слово керамика произошло от греческого керамос, что значит горшечная глина. Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамическими. В настоящее время под словом керамика понимают не только глиносодержащие, но и другие неорганические материалы, обладающие сходными свойствами. При изготовлении из них изделий требуется высокотемпературный обжиг.



HYPER15



Рис.10. Зависимости ( и tg( рутиловой керамики от частоты при различных температурах



Рис.11. Зависимость диэлектрической проницаемости и ее температурного коэффициента от состава твердого раствора системы LaАlO3—СаТiO3



Оптический ситалл СО 115М, обладающий уникальными тепловыми свойствами, находит применение во многих областях науки и техники. Особенно широко ситалл используется в областях, где требуется высокая стойкость или полная нечувствительность к тепловому удару и пониженная тепловая деформируемость конструкционных элементов.



Для создания телескопических зеркальных систем наземного и космического базирования широко используются зеркала из оптического ситалла СО 115М. Для изготовления оптических деталей астрономической оптики используют заготовки из оптического ситалла СО 115М, к которым предъявляются самые разнообразные требования по качеству. Физико-химические свойства ситалла СО 115М приведены в (1).



В настоящей работе сделана попытка оптимизировать требования к качеству заготовок, исходя из многолетнего опыта их изготовления.



Требования к качеству заготовок складываются из двух основных групп: требования к заготовке и требования к материалу.



Рассмотрены закономерности формирования структуры и свойств

материала при термообработке стеклозаготовок литийалюмосиликатного

состава. Определены тенденции изменения основных свойств материала

при термообработке в интервале температур 700-1200о С.

Полученные результаты позволяют целенаправленно подходить к синтезу

ситаллов с заданным уровнем свойств.



Обнинское научно-производственное предприятие "Технология";



Внедрение литых безметалловых стеклокерамических (ситалловых) зубных протезов в стоматологическую практику.



Описание технологии

АННОТАЦИЯ ПРОЕКТА

Эффективность ортопедического лечения в стоматологии находится в прямой зависимости от вида материала, из которого изготавливается протез.

Общепризнанные проблемы в современной отечественной стоматологии не решаются многие годы, и ситуация с восстановительными материалами из предпроблемной никак не может трансформироваться в проблемную. Сохраняются нерешенные противоречия, не изменяется положение дел в отечественном стоматологическом протезировании при оказании помощи населению на современном уровне медицины, отсутствуют отечественные материалы последнего поколения.

Такое положение не приводит к устранению сомнений, резких отрицаний возможности разработки новых материалов с требуемым комплексом свойств и подрывает веру в прогресс отечественного стоматологического материаловедения. По данным Министерства здравоохранения Российской Федерации, в нашей стране около 80 % населения в возрасте старше 14 лет (более 100 миллионов человек) нуждаются в лечении зубов, а 60 % (то есть более 70 миллионов человек) нуждаются в протезировании. Только в Санкт-Петербурге нуждающихся в протезировании более 80 % жителей, что составляет около 4 миллионов человек. Явно выражена тенденция к увеличению количества людей, нуждающихся в лечении и протезировании зубов. На рынке зубопротезных услуг явно преобладают зарубежные материалы и технологии. Сегодня можно однозначно и достоверно утверждать, что процесс протезирования в стоматологии (особенно при использовании технологий, материалов и оборудования зарубежных фирм), усложняется. Следствиями этого являются повышение стоимости и все меньшая доступность протезирования для подавляющего большинства нуждающегося в этой услуге населения России. Для того, чтобы убедиться в этом, достаточно узнать прейскурант на протезирование современными импортными материалами в любой клинике. На сегодняшний день стоимость металлокерамической коронки достигает 150 дол. США, а безметалловая прессованная керамика часто дороже 350 дол. США за единицу.

По своей сути протезирование (особенно с использованием технологий безметалловой керамики) превратилось в искусство, доступное очень немногим.

В качестве альтернативы современным зарубежным технологиям протезирования в проекте предлагается использование способа управляемой катализированной кристаллизации стекла и серийное изготовление различных изделий для протезирования из стеклокерамики (ситалла) методом литья по выплавляемым моделям в керамические формы.

Техническая сущность предлагаемой разработки (и ее основное преимущество перед преобладающими сегодня способами протезирования) базируется на технологических особенностях разработанной стеклокерамики (ситалла).

Эти особенности позволяют получать зубные протезы практически любой формы, толщины и габаритов методом литья по выплавляемым моделям в керамические формы. Такая технология, широко применяемая для изготовления деталей из различных металлов и сплавов в машиностроении, стоматологии и ювелирном деле, позволит перевести процесс изготовления протезов на промышленную основу и создать, по сути, зубопротезный конвейер. Для серийного изготовления протезов предполагается создание специализированных региональных центров (централизованных лабораторий), что значительно повысит производительность, обеспечит надежный контроль и поможет оказывать ортопедическое лечение значительно большему, чем сейчас, количеству нуждающихся в нем людей. Стоимость такого лечения будет существенно снижена (до 30-50 дол. США за одну единицу) по сравнению с такими видами протезирования как металлокерамика и безметалловая керамика. При этом такие показатели как долговечность и косметический эффект должны быть не хуже, чем у зубопротезных изделий из импортных материалов.

Основные конкурентные преимущества предлагаемого проекта:

1. Отечественная технология, материалы и сырье;

2. Колоссальный рынок зубопротезных услуг в сегменте цен от 10 до 100 дол. США за 1 единицу продукции;

3. Возможность серийного централизованного изготовления зубопротезных изделий в специализированных центрах (лабораториях);

4. Высокие прочностные и эстетические свойства стеклокерамики (ситалла) при невысокой стоимости изделий.

В России имеется сегмент рынка зубопротезных услуг, который совершенно свободен. Это изготовление высококачественных, долговечных и обладающих приемлемым для подавляющего большинства населения косметическим эффектом зубных протезов по цене от 20 до 100 дол. США за одну единицу. В этом сегменте рынка стеклокерамические литые зубные протезы, производимые серийно по промышленной технологии, могут занять центральное место и стать недосягаемыми по цене (в сравнении с зарубежными аналогами).

При внедрении стеклокерамических (ситалловых) протезов одновременно с оказанием медицинских услуг населению России должно происходить вытеснение недоступных для большинства жителей нашей страны материалов импортного производства. Появляется серьезная альтернатива зарубежным материалам и технологиям. Цель работы - разработка технологии и оборудования для серийного производства, клиническая апробация и внедрение ситалловых протезов в России. При этом ставится задача добиться резкого снижении стоимости протезирования - до уровня 30 - 50 дол. США за 1 единицу.

Предполагаемые затраты за 6 лет работ по проекту составят 673 тыс.дол. США без учета стоимости зданий и сооружений, необходимых для успешной его реализации. Это минимальный уровень прямых затрат, которые необходимы для подготовки производства литьевого ситалла и оборудования для изготовления протезов, организации обучения 2-3 тысяч врачей-протезистов и зубных техников, а также создания управляющей компании с объемом реализации на 8-м году работы по проекту более 10 млн. дол. США и чистой прибылью 4 млн. дол. США в год.



Описание рынка

В протезировании зубов в Российской Федерации (по данным Минздрава) нуждается более 70 миллионов человек.



Описание организации выполнения проекта и вывода технологии на рынок

1. Проведение полномасштабных клинических испытаний. 2. Отработка технологии серийного производства зубных протезов. 3. Подготовка врачей и техников. 4. Разработка и проведение маркетинга с одновременным проведением рекламной кампании.



Главные препятствия реализации проекта

Отсутсвие поддержки на региональном уровне и в Минздраве. 2. Отсутствие серьезного партнера-менеджера проекта. 3. Недостаток собственных средств.



Ситаллы - это светлокристаллические материалы, состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе.



Нетрадиционные технологии для создания облегченных астрономических зеркал с высокой стабильностью формы поверхности

Абдулкадыров М.А., Белоусов С.П., Игнатов А.Н., Румянцев В.В., Самуйлов А.В. NET HYPER14HYPER15HYPER15

1. ВВЕДЕНИЕ

Решение задач по созданию высокоразрешающих оптических систем требует привлечения значительных финансовых средств. Данное обстоятельство может стать причиной ограничивающей дальнейшее развитие астрономических исследований. Целью данной работы является демонстрация путей снижения стоимости изготовления зеркал для астрономических инструментов.

2. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗЕРКАЛ

К материалам для крупногабаритных зеркал предъявляются следующие требования, обусловленные жесткими допусками (порядка 0.01 мкм) на соответствие поверхности зеркала расчетной форме и сохранения этой формы во времени:

высокая сопротивляемость внешним воздействиям (комбинация физических свойств, обеспечивающая малые механические и температурные деформации);

стабильность свойств и размеров во времени;

высокое качество полированной поверхности, обеспечивающее достаточно высокий коэффициент отражения зеркального покрытия;

малая плотность.

Материалов для астрономических зеркал, полностью отвечающих всем перечисленным требованиям, пока нет. Однако, вследствие таких свойств как высокая изотропность стабильность, полируемость, наиболее доступная цена и самое главное коэффициент термического расширения близкий к нулю стеклокерамика является наилучшим материалом для изготовления заготовок для крупногабаритных зеркал.

Недостатками этих материалов является низкая теплопроводность, малая механическая прочность и сравнительно высокая плотность.

Прежде чем перейти к анализу путей снижения влияния вышеуказанных недостатков на эксплуатационные параметры зеркал, повидимому целесообразно привести некоторые характеристики стеклокерамики.

Наиболее популярной стеклокерамикой на сегодняшний день является "Церодур" производимый фирмой "Шотт" (Германия). Однако благодаря значительно меньшей стоимости (примерно на 40%) все более популярным становится ситалл оптический СО-115М производимый фирмой "ЛЗОС" (Россия).

Таблица 1. Свойства ситалла СО-115М и Церодура

материал

Ситалл СО-115М

Церодур



Средний коэффициент линейногo расширения в диапазоне температур от -60oС до +60o, (К-1)

1.5 x 10-7

(-21) x 10-7



Показатель преломления (ND)

1.536

1.542



Плотность (г/см3)

2.46

2.35



Модуль Юнга (МПа)

9.2x104

9.3x104



Коэффициент Пуассона

0.28

0.24



Удельная теплоемкость (Дж/г x К)

0.92

0.80



Теплопроводность (Вт/м x К)

1.18

1.46



Температуропроводность (м2/с)

0.52 x 10-6

0.72 x 10-6



3. ВАРИАНТЫ КОНСТРУКЦИЙ ОБЛЕГЧЕННЫХ ЗЕРКАЛ

Как уже упоминалось выше, недостатками стеклокерамики является сравнительно высокая плотность. Наиболее эффективным способом устранения данного недостатка является изготовление зеркал облегченной конструкции.

На рисунках 1, 2, 3 приведены различные варианты конструкций облегченных зеркал изготавливаемых на фирме "ЛЗОС".

рис.1 Конструкция облегченного зеркала с перфорированной тыльной стороной.

На рис.1 показана конструкция монолитного зеркала, в которой для облегчения конструкции выполнены облегчающие полости с тыльной стороны зеркала. Недостатком данной конструкции является длительный цикл изготовления несимметричность конструкции, что уменьшает жесткость и стабильность формы зеркала.

рис.2 Конструкция облегченного зеркала типа "сандвич".

На рис. 2 приведена конструкция зеркала согласно которой части слоистого зеркала из оптического ситалла соединяют между собой электроадгезионным способом. Недостатком этой конструкции является длительный цикл изготовления шестигранных ячеек облегчения, а также то, что отсутствие принципов и критериев подбора соединяемых частей не обеспечивает стабильности оптической поверхности зеркала.

рис.3 Конструкция облегченного зеркала типа "сандвич" с оптимальной структурой облегчения.

Наиболее перспективной с точки зрения технологичности изготовления, минимизации деформации и достижения степени облегчения представляется конструкция изображенная на рис. 3.

Облегченное зеркало состоит из трех пластин 1, 2, 3. В средней пластине 2 для облегчения выполнены цилиндрические отверстия 4 радиусом r и 5 радиусом r0 и перемычки 6 толщиной b. С целью увеличения степени облегчения, центры отверстии большего диаметра расположены в вершинах равносторонних треугольников, а отверстия меньшего диаметра в центре этих треугольников, при этом радиусы отверстий большего и меньшего диаметров r и r0 соответственно связаны соотношением:

MERGEFORMATINET HYPER14HYPER15

где b - толщина перемычки между отверстиями.

Результаты оценки степени облегчения конструкции и трудоемкости изготовления зеркал приведенных на рис.2 и 3 при равенстве их жесткостных характеристик сведены в таблицу 2.

Таблица 2.

Подложка зеркала

Степень облегчения

Трудоемкость изготовления



Вариант 2 (Рис. 2)

65 %

A



Вариант 3 (Рис. 3)

83 %

0.7 A



рис.4 Схема перемещения пластин в процессе сборки зеркала.



С целью повышения стабильности оптической поверхности зеркала, составляющие пластины вырезают из монолитной заготовки и собирают, смещая слои относительно их положения в исходной заготовке как по вертикальной оси, так и по угловому расположению, что поясняется рис. 4.

Соединение в единную конструкцию трех пластин осуществляется электроадгезионным способом. Сущность электроадгезионного соединения деталей из оптического ситалла СО-115М состоит в том, что при значительном нагреве в ситалле возникает электропроводность, что позволяет использовать электрическое поле для активации процесса дифузии между высокоточными полированными пластинами. Данные технологические решении используются для соединения подложек астрозеркала, состоящего из несущего облегченного каркаса, с нанесенным слоем металла по плоскостям соединения, и двумя покровными пластинами.



Процесс сборки зеркала показан на рисунке 5а, 5б, 5в.

pg" \* MERGEFORMATINET HYPER14HYPER15 рис.5а Манипуляция каркаса.



рис.5б Установка каркаса на пластину.



ontradit_astro_mirror/f3_col.jpg" \* MERGEFORMATINET HYPER14HYPER15 рис.5в "Сандвич" подготовленный к соединению.



рис.6 Облегченное зеркало ttp://www.lzos.com/sym/diam12x12.gif" \* MERGEFORMATINET HYPER14HYPER151500 мм.



Смещением слоев относительно их исходного положения достигается усреднение физико-механических свойств подложки зеркала, что существенно повышает изотропность ситалла, а создание замкнутой конструкции зеркала позволяет значительно повысить жесткость конструкции заготовки при значительном снижении характеристик.

Таким образом можно сделать вывод, что изготовление зеркал по конструкции приведенной на рис.3 позволяет практически полностью устранить недостатки стеклокерамики.

На рис. 6 приведен вид облегченного зеркала 1500 мм типа "Сандвич" изготовленного из стеклокерамик ситалл СО-115М.



4. ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫБОРА БАЗОВЫХ СФЕР ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СОСТАВНЫХ ЗЕРКАЛ

Существенного снижения стоимости изготовления асферических поверхностей может быть достигнуто путем оптимального распределения припуска на обработку при их асферизации.

рис.7 Схема составного зеркала.



рис.8 Усеченный элемент.



В качестве примера рассмотрим процесс изготовления составного асферического зеркала состоящего из 36 гексогональных элементов эскиз которого приведен на рис. 7. Зеркало состоит из 6 типов элементов. Возможен целый ряд вариантов асферизации и окончательной обработки данного зеркала.

рис.9 Точки стыковки элементов.

Но на наш взгляд наиболее эффективным является следующий:

Изготавливается центральный вспомогательный элемент главного зеркала, который необходим для контроля внеосевых элементов первого типа (заштрихованные на рис. 7).

Изготавливаются сферические заготовки для элементов первого типа. Радиус кривизны на сферических заготовках равен внешнему радиусу кривизны на осевом элементе в области стыковки осевого и внеосевого элементов.

Производится асферизация поверхности заготовки первого типа, с постепенным распространением снимаемого материала к области стыковки элементов первого и второго типов. Причем надо отметить, что на данном этапе все элементы первого типа имеют внешний контур изображенный на рис. 8. После асферизации заготовке придается гексагональная форма и производится окончательная доводка поверхности.

Сегменты следующего типа предварительно изготавливаются сферическими, с радиусами кривизны равными внешнему радиусу кривизны асферического сегмента предыдущего типа (рис. 9). Для типа 1 с радиусом, равным радиусу асферической поверхности в точке А, для второго типа в B, для третьего типа в точке C, для четвертого типа в точке D, для пятого типа в точке E и для шестого типа в точке F.

Окончательная аттестация элементов проводится на стенде вертикального контроля в соответствии со схемой расположения элементов согласно рис. 10.

Данное распределение припусков на обработку позволит:

Изготовить все элементы составного зеркала с разнорадиусностью равной 0.

Исключить необходимость создания дорогостоящего оборудования для контроля радиусов кривизны.

Производить обработку и контроль каждого элемента составного зеркала без использования штатной оправы.



рис.10 Схема контроля.



5. КОНТРОЛЬ ВЫПУКЛЫХ АСФЕРИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ

Асферические поверхности в отличии от сферических, несравненно разнообразнее по своим видам, свойствам, параметрам, требованиям к точностям изготовления, условиям применения, поэтому создание универсального метода или прибора для контроля асферических поверхностей практически невозможно. Каждая асферическая поверхность индивидуальна, поэтому индивидуален и метод её контроля.

Следует отметить, что существуют ставшие классическими методы контроля (метод анаберрационных точек) с использованием вспомогательных оптических элементов, в частности схема Хиндла с вспомогательным сферическим зеркалом.

Однако часто бывают случаи, когда для контроля высокоапертурных зеркал прямое использования этих методов или вообще невозможно или крайне дорого. Такая проблема возникла при анализе возможных схем контроля вторичных зеркал имеющих следующие параметры:

1. Гиперболическое выпуклое зеркало телескопа VST:

световой диаметр 900 мм;

радиус вершинной сферы 4374.46 мм;

центральное экранирование 112 мм.

2. Гиперболическое выпуклое зеркало телескопа NOA:

световой диаметр 740 мм;

радиус вершинной сферы 4602.2 мм;

центральное экранирование 128 мм.

Данные зеркала изготавливаются на ОАО "ЛЗОС" по контрактам с фирмой "КАРЛ Цайсс Йена".

Было рассмотрено и просчитано несколько вариантов схем контроля, но из-за их трудной реализуемости и соответственно высокой цены применение одной из классических схем оказалось невозможным. В частности, для контроля этих вторичных зеркал понадобилось бы изготовить зеркало Хиндла диаметром 2800 мм. Трудность расчета заключалась в том, что необходимо проконтролировать высокоапертурные зеркала с различными параметрами и малым центральным экранированием. На рис. 11 и 12 изображены принятые схемы контроля этих зеркал с использованием двух вспомогательных зеркал М1 1950 мм и М2 1640 мм. Вторичные зеркала поочередно вводятся в схему и контролируются с совместно с каждым из вспомогательных зеркал. При этом, при контроле с зеркалом М1 засвечивается зона 900/268 мм для вторичного зеркала VST и 740.6/307 мм для вторичного зеркала NOA, соответственно при контроле с М2 имеем зоны 465/112 мм и 533/128мм.

рис.11 Контроль зеркала проекта VST.

В обоих случаях мы имеем зону перекрытия (зона которая контролируется как с зеркалом М1 так и с М2) от 200 и более миллиметров. Наличие этой зоны позволяет произвести сшифку топографий полученных после перекрытия позволяет расшифровки результатов интерференционного контроля с использованием зеркал М1 и М2 и построить общую топографию контролируемого вторичного зеркала.

рис.12 Контроль зеркала NOA.

По аналогичной схеме (рис.13) с использованием тех же сферических зеркал будет проконтролированно вторичное зеркало двухметрового телескопа TTL .

рис.13 Контроль зеркала TTL.

Гиперболическое зеркало имеет следующие параметры:

световой диаметр 617 мм;

радиус вершинной сферы 4813.19 мм;

центральное экранирование 59 мм.

Реализация данного метода существенно удешевляет процесс контроля и уменьшает сроки изготовления приведенных выше вторичных зеркал.





В качестве подложки предполагается использовать стеклокерамический материал ситалл, который по свойствам прувосходит стекло, но легче обрабатывается.



А почему ситаллы обладают такими свойствами?

Л. Н.: Потому что они бифазны. Если размер кристаллов менее 0,4 мкм - длины волны видимой части спектра, то ситалл прозрачен. Но стоит вырастить кристалл большего размера, то он становится непрозрачным - молочно-белым, например. Имеет значение анизотропия показателей преломления кристаллов и стеклофазы, чем больше разницы D по, тем более разнообразные эффекты за счет отражения, поглощения, преломления на границах стекло-кристалл можно получить. Опаловые, молочные, алебастровые, слоновой кости, коралловые - все эти составы стеклокристаллических материалов издавна применялись в декоративном стеклоделии - в изготовлении бисера, стекляруса, бижутерии, мелкой художественной пластики, украшений люстр, сортовой посуды. Именно эти декоративные свойства стеклокристаллических материалов были причиной того, что их в Европе XVIII века, "охотившейся" за секретом китайского фарфора, пытались выдавать за фарфор. Статья, появившаяся в 1794 году в Трудах Парижской Академии, описывала получение "молочного стекла", которое ничуть не хуже фарфора, а может быть и является самим фарфором! Именно этот состав стеклокристаллического материала и получил название "фарфора Морено", по имени изобретателя. Может быть тогда, триста лет тому назад и началась эта путаница понятий, названий. Кстати сказать, оптимальные, выверенные современной технологией составы стоматологических протезирующих ситаллов, выпускаемых фирмами "Ивоклар", "Дусера" не ахти как и ушли от принципов получения декоративных эффектов. Наличие гидроксиапатита и лейцита - К(AlSi2O6)- позволяют имитировать все эффекты преломления и отражения зубной эмали, содержащей, кстати, кристаллы апатита!



Биоситалл



Активное развитие работ в области применения в медицине биосовместимых изделий из различных материалов получили в США, Японии, Финляндии, Германии, Китае.



Т. Кокубо (Япония) сообщает о ситалле системы MgO-CaO-SiO2-P-CaF2 обладающего сочетанием остеоинтегративных свойств и приемлемыми механическими прочностными характеристиками.



НПФ "ЭЛКОР" первой в нашей стране освоила выпуск отечественных биодеградирующих имплантируемых изделий из Биоситалла, выступающих как осеопротекторы и остеокондукторы, приводящих к полноценному восстановлению анатомической целостности и физиологической функции костной ткани.



РОДОСЛОВНАЯ СИТАЛЛОВ



В нынешнем году исполняется сорок лет с момента публикации первого сообщения о новом классе стеклокристаллических материалов, получаемых путем направленной кристаллизации и называемых в России ситаллами (от сочетания слов "стекло" и "кристалл"), а за рубежом . пирокерамами и стеклокерамикой.



На протяжении многих лет наиболее перспективными областями применения ситаллов считались направления, ориентированные на использование их повышенной механической прочности (конструкционные ситаллы), термостойкости и регулируемой температуры размягчения (жаропрочные, легкоплавкие ситаллы), специальных спектральных характеристик (прозрачные ситаллы). В последнее время большие успехи достигнуты и в направлении разработки функциональных стеклокристаллических материалов . ситаллов и материалов на их основе, . обладающих специфическими, часто уникальными свойствами, существенно расширяющими спектр их применения, в частности, в строительной индустрии, электронике, медицине.



Эти материалы отличаются от всех ранее известных тем, что путем направленной кристаллизации стекло превращается в мелкокристаллическое тело с регулируемой структурой, регулируемыми размерами кристаллов и с определенным соотношением стекловидной фазы и кристаллической фазы. Причем они могут быть как прозрачного, так и непрозрачного типа. Прозрачные материалы получили широкое применение в практической астрономии, а непрозрачные, ввиду высоких механических, термических и жаропрочных свойств . в ракетной и космической технике, электронном приборостроении и т. д.



Эти работы велись под грифом "совершенно секретно", и в свое время Н. С. Хрущев под лабораторию, где разрабатывались новые материалы, выделил целое здание по служебной записке бывшего в то время вице-президентом АН Н. Н. Семенова. Эти материалы получили широкое применение.



В РХТУ имени Д. И. Менделеева на кафедре химической технологии стекла и ситаллов, которую я имею честь возглавлять, разработана широкая гамма стеклокристаллических материалов самого широкого назначения. Одно из них . строительное, включающее стекломрамор, стеклокристаллит, искусственные авантюрины, шлако- и золоситаллы, сигран. Эти материалы, близкие по химическому составу, существенно отличаются по структурным параметрам . степени кристалличности, размеру кристаллов (от долей микрона до нескольких миллиметров в диаметре), фазовому составу (от простейших соединений до сложных твердых растворов алюмосиликатов). По декоративным и физико-химическим свойствам они соответствуют природным строительным материалам . граниту, мрамору . и существенно расширяют круг облицовочных материалов.



Возьмем, к примеру, шлакоситаллы. Для их получения использовались отходы промышленности, в частности, металлургические шлаки, которых ежегодно в России образуется до 50 млн. тонн. Шлакоситалловыми листами облицованы многие известные здания, в частности, павильон металлургии на ВДНХ, здание Института общей неорганической химии; ими же покрыты полы в аэропорту Шереметьево, в ряде зданий общественного назначения. Всего для России было произведено около 50 млн. кв. м этого материала, который получил широкое распространение.

ЖИВОТВОРЯЩИЕ КРИСТАЛЛЫ



Новым, нетрадиционным направлением в технологии ситаллов является разработка материалов, обладающих биологической активностью и способностью сращиваться с живой костной тканью. Эти материалы, называемые биоситаллами, перспективны для использования в качестве костных эндопротезов и имплантантов в медицине.



Для получения тонкодисперсной объемнозакристаллизованной структуры ситалла стекло определенного химического состава подвергают термической обработке по заданному режиму. Изменяя состав стекла и режим его термообработки, возможно в широких пределах регулировать фазовый состав ситалла и его структуру, а, следовательно, и его свойства, уникальность которых позволяет получать имплантанты . материалы, которые заменяют костные суставы в организме человека.



Почему мы пришли к этой идее? Во всем мире, особенно в США, Японии, а теперь и в России, резко увеличивается число операций с использованием искусственных материалов для замены поврежденных костных тканей человека. Рост числа автомобильных, авиационных катастроф, локальные войны . все это приводит к массовому травматизму, к которому добавляется и производственный. Без искусственных имплантантов не обойтись.



Проблема эта . не новая. Уже лет 20-30 в практике довольно широко используются металлические, керамические имплантанты. Много лет подбором имплантантов в зависимости от характера повреждения занимается ЦИТО . институт травматологии и ортопедии. Материалы, о которых речь шла выше, очень механически прочны и долго служат человеку. Но у них есть один недостаток: биологическая несовместимость с тканью и организмом человека. Нет, как говорится, вживаемости кости, а это приводит иногда к непредсказуемым последствиям, вплоть до отторжения имплантанта от организма человека, что вызывает порой местные боли, воспаления и т. п.



Мы же при использовании биоситалла подобрали такой состав ситалла, который всего ближе к кости и к организму человека . так называемые флогопитовые ситаллы. Таким образом, первое преимущество . химическое сродство. Второе . высокие механические свойства. И третье заключается в том, что мы добились того, что имеют место диффузии составляющих имплантанта и составляющих костной ткани человека.

ВПЛОТЬ ДО ИСКУССТВЕННОЙ КОСТИ



Характерной особенностью работ по созданию биоситаллов является то, что они включают не только физико-химические, структурные и технологические исследования, но и медико-биологические испытания поведения материала в живом организме . in vivo, а также клинические испытания на животных и наблюдения за ходом восстановления функций поврежденных костей после операции у человека.



Эксперименты in vivo проводятся посредством имплантации биоситалла в костную или мягкую мышечную ткань животных. Через определенный промежуток времени после имплантации . от нескольких дней до года . материал извлекают из организма и исследуют физико-химическими, морфологическими и другими методами.



Живой организм реагирует на имплантант, образуя в месте контакта с ним различные ткани . соединительную, грануляционную, остеоидную, костную. Из всех видов тканей только костная обеспечивает достаточную механическую прочность сцепления с имплантантом. При имплантации биоситаллов на их поверхности мягкая ткань быстро замещается костной, достигая 90% через месяц после имплантации.



Наиболее перспективным представляется использование биоситаллов и материалов на их основе при залечивании дефектов и деформаций костей (аппликация выщербленных фрагментов, заполнение раковистых пустот), при создании новых структур (кости среднего уха, носа, челюстей) и протезировании в ортопедической хирургии, при разработке неметаллических соединительных элементов (муфт, винтов) костных фрагментов. Словом, будущее биоситаллов начинается сегодня, и оно поистине удивительно.



Свойства ситаллов и изделия из них

Ситаллы обладают благоприятным сочетанием многих важных свойств: высокой механической прочностью, влаго- и газонепроницаемостью, термостойкостью, высокой температурой размягчения, хорошими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью.



Ситаллы выдерживают сравнение с рядом конструкционных материалов - легированными сталями, черными металлами, алюминием и превосходят по своим свойствам стекло.



Твердость некоторых ситаллов приближаются к твердости закаленной стали и почти в 25 раз больше твердости шлифованного оконного стекла.



Ситаллы обладают высокой стойкостью к действию сильных кислот (кроме плавиковой) и щелочей. Значительная механическая прочность, а также химическая стойкость способствуют применению ситалловых изделий в химической и нефтехимической промышленности. Термостойкость изделий из ситалла равна 200-700С, а иногда достигает 1100С.



Высокие термомеханические свойства предопределяют использование ситалловых изделий в специальных областях строительства. Они находят применение для изготовления деталей, сохраняющих стабильные размеры при изменениях температуры (например, фундаменты особо точных станков). Трубы из ситалла применяют для изготовления теплообменников.



Полученные ситаллы, поглощающие медленные нейтроны, а также отличающиеся жаростойкостью и способностью герметически паяться со сталью. Эти ситаллы используют при изготовлении стержней в ядерных реакторах и для устройства биологической защиты.



Разработан эффективный и экономически выгодный способ получения ситаллов из огненно-жидких металлургических шлаков. Для получения шлакоситаллов в расплавленный шлак вводят корректирующие добавки и добавки-катализаторы, ускоряющие кристаллизацию шлаков. В качестве кристаллизаторов используют чаще всего TiO2, P2O5, CaF2, сульфиды тяжелых металлов Fe и Mn в количестве 4-5% при охлаждении огненно-жидкого шлака происходит выделение тонкодисперсных частичек катализатора, которые являются зародышами кристаллизации расплава. Отформованное от расплава изделие подвергают термообработке по определенному режиму.



Объемная масса шлакоситаллов 2500-2650 кг/м, предел прочности при сжатии - 500-600 МПа, модуль упругости - 11 10 4МПа, рабочая температура - до 750С, температура размягчения - 950С, водопоглощение практически равно нулю.



По внешнему виду шлакоситалл представляет собой плотный, тонкозернистый, непрозрачный материал. Практически можно получить шлакоситалл любого цвета путем использования в процессе изготовления изделий различных керамических красок. Из шлакоситалла изготавливают дешевые и высококачественные изделия, отличающиеся высокой долговечностью и используемые в жилищном и промышленном строительстве для устройства лестничных ступеней, плиток для полов, подоконников, внутренних перегородок и других деталей. Волнистый и плоский листовой шлакоситалл можно применять как кровельный и стеновой материал.



Шлакоситалл применяют в гидротехническом строительстве для облицовки ответственных частей гидросооружений, а также в дорожном строительстве в качестве плиты для тротуаров, дорожных покрытий, бортовых камней. Листовой шлакоситалл можно использовать как декоративно-отделочный материал для наружной и внутренней облицовки различных сооружений.



Вспененный шлакоситалл (пеношлакоситалл) имеет ячеистую структуру, как и пеностекло, но отличается от него своим строением. Пеношлакоситалл является эффективным теплоизоляционным материалом, поскольку он обладает незначительным водопоглощение и малой гигроскопичностью. Его используют для утепления стен и перекрытий, а также для звукоизоляции помещений. Изделия из пеношлакоситалла могут работать при температурах до 750С, поэтому также их применяют также для изоляции теплопроводов и промышленных печей.



СТЕКЛОКЕРАМИКА (СИТАЛЛЫ)

СИТАЛЛЫ - стеклокристаллические материалы различного назначения с широким спектром свойств.

ОПТИЧЕСКИЙ СИТАЛЛ - материал с высокой стабильностью рабочих параметров, прозрачный в видимой области спектра, со сверхнизким коэффициентом линейного расширения:

ТКРЛ, 107К-1 в интервале температур от -60 до 80 С - 0,6

температура эксплуатации, 750С

светопропускание в диапазоне 400-750 нм, % - 55

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

моноблоки резонаторов лазерных гироскопов

защитные оболочки лазерных гироскопов систем навигации современных самолетов

СИТАЛЛ ТЕХНИЧЕСКОГО и БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ - материал для плоских электронагревателей, смотровых окон, кухонной посуды - прозрачной, янтарного цвета и непрозрачной - белого.

Основные свойства ситаллов

прозрачный

непрозрачный



Коэффициент линейного расширения, ТКРЛ, 107К-1, в интервале температур от 20C до -500C

15

25



Термостойкость, C

150

330



Температура эксплуатации, C

630

1030



Прозрачная посуда предназначена для микроволновых печей, непрозрачная - для любых нагревателей.

ИК-ПРОЗРАЧНЫЙ цветной СИТАЛЛ для тонкостенных настилов (панелей) электропечей с различными типами нагревателей, поддонов для микроволновых печей, смотровых окон бытовых каминов обладает высокой термостойкостью, низкой тепловой инертностью, высокой химической стойкостью.

ТКРЛ, 107К-1 в интервале температур 20-600C, 4 - 8

Светопропускание в диапазоне 400 - 700 нм, 9%

Температура эксплуатации, 600 C





III-1-2. Производство ситаллов.

Ситаллы представляют собой стеклокристаллические (микрокристаллические) материалы, получаемые путем направленной (катализированной) кристаллизации стекол специальных составов, протекающей в объеме заранее отформованного изделия. Ситаллы состоят из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе.

Впервые поликристаллическое "фарфоровое" изделие, способное без деформаций выдерживать высокие температуры, получил при кристаллизации стекла французский химик Р.Реомюр в 1739 г. Вновь его идея возродилась лишь в конце 20-х годов ХХ века, когда в ряде стран были созданы стеклокристаллические материалы с ценными техническими свойствами. В СССР наиболее интенсивно исследования в этой области проводились в Московском химико-технологическом институте им. Д.И.Менделеева. Существенным успехом была разработка в конце 50-х годов в США "пирокерамов", нашедших применение в производстве тепловых экранов (наконечников) для управляемых реактивных снарядов.

Главная особенность ситаллов - тонкозернистая равномерная стеклокристаллическая структура, обусловливающая сочетание высокой твердости и механической прочности с отличными электроизоляционными свойствами, высокой температурой размягчения, хорошей термической и химической стойкостью. В ситаллах, изготовленных из светочувствительных стекол, получают непрозрачные белые или цветные трехмерные изображения. Различная растворимость кристаллической и прозрачной стекловидной фаз открывает возможности получения выпуклого изображения и производства из фотоситаллов технических изделий с сеткой прецизионно выполненных отверстий любого сечения.

Термическая устойчивость ситаллов обеспечивается очень небольшими, а иногда и отрицательными (от -7 10-7 до +3 10-7) коэффициентами термического расширения. Оптическое кварцевое стекло может быть заменено прозрачными ситаллами, которые имеют перед ним то преимущество, что в силу малых коэффициентов теплового расширения они нечувствительны к тепловым ударам. Прозрачность связана с размером кристаллов, меньшим длины полуволны видимого света (сотые доли м), и близостью показателей их преломления к стекловидной фазе. Светочувствительные стекла и фотоситаллы находят широкое применение в микроэлектронике, ракетной технике, космосе, оптике, полиграфии и бытовых приборах. Так, из фоточувствительного стекла получены матрицы для газоразрядных приборов, фотокерам для изготовления плат печатного монтажа, из фотоситалла - перфорированные диски, применяемые в катодно-лучевых трубках и т.д.

Технология ситаллов включает стадии (1) варки стекла, (2) формовки изделий и (3) специальной термической обработки.

Первые две стадии проводят обычными методами, рассмотренными в . Технические ситаллы получают на основе искусственных шихт тех частей силикатных систем, в которых кристаллизуются фазы, обладающие заданными свойствами. Для термостойких ситаллов такими фазами являются кордиерит, LiAlSi2O6, эвкриптит LiAlSiO4; для высокопрочных - , муллит; для диэлектриков - , , и т.д. Такие свойства, как плотность, коэффициент термического расширения, теплопроводность, модуль упругости и диэлектрическая проницаемость зависят от свойств фаз и аддитивно меняются с изменением содержаний этих фаз. Поэтому важнейшую задачу технической петрологии составляет изучение диаграмм состояния соответствующих систем. На фазовый состав ситаллов влияют малые (до 1,5%) добавки модификаторов (Na, K, Ca, Ba и др.), стеклообразователей (В, Р и др.) и окислов промежуточного типа, введение которых не меняет состав основных фаз, но заметно увеличивает или снижает их содержание. Необходимыми добавками являются вещества, служащие и центрами кристаллизации стекол.

В качестве последних применяются: металлические Au, Ag, Cu, Pt, Pd в количествах от сотых до десятых долей %; окисные TiO2, P2O5, Cr2O3, ZrO2, ZnO и др. (первые %), фторидные Na3AlF6, Na2SiF6, CaF2 и др. (обязательно совместно с Al2O3), сера или сульфаты с добавкой , сульфиды. В состав фотоситаллов вводят в качестве светочувствительных добавок Au, Ag, Cu в сочетании с сенсибилизаторами. Сенсибилизаторы - вещества, способствующие более полному протеканию фотохимических процессов - повышению фоточувствительности с образованием скрытого поверхностного изображения. При получении фотохромных и других светочувствительных стекол в качестве сенсибилизаторов используются GeO2, одновалентное золото, сернистые соединения щелочных металлов и др. Применение элементов платиновой группы (Pt, Re, Pd, Os, Ir) не требует присутствия сенсибилизаторов.

С целью удешевления производства и комплексного использования сырья для изготовления ситаллов привлечены: доменный шлак вместе с кварцевым песком - для получения шлакоситаллов; магматические эффузивные и интрузивные горные породы основного состава (базальты, габбро, траппы), метаморфические породы (тремолитовые и тальковые сланцы), осадочные породы (лессовые суглинки, известковая глина), нефелиновый концентрат - для получения петроситаллов. Оценка пригодности шлаков и горных пород для этих целей наиболее просто и эффективно осуществляется петрографическими методами по их минеральному составу. Не последнюю роль играют знания петрохимических особенностей и использование возможностей методов петрохимических пересчетов.



Рис. 61. Схема режима термообработки стекла для получения ситаллов.



Главной в технологии ситаллов является двухстадийная термообработка (). Первая стадия - образования центров кристаллизации - осуществляется для большинства составов шихт выдержкой при температуре, оптимальной для этого процесса. Для фотоситаллов изделия после отжига облучают ультрафиолетовыми, рентгеновскими или - лучами. Проявление скрытого изображения происходит при нагревании стекол в интервале между температурой размягчения и отжига в течение 8 - 60 мин. Далее термообработка продолжается при более высоких температурах для завершения процесса кристаллизации и получения ситалла. На второй стадии изделия отжигают при температуре, наиболее благоприятной для роста кристаллов.

Жаропрочность, электропроводность, механическая прочность зависят не только от свойств фаз, но в большей степени от структуры и потому не являются аддитивными. Плотная микростуктура обеспечивает высокую твердость и сопротивление абразивному износу. Повышение степени закристаллизованности увеличивает . Улучшению механических , термических, электроизоляционных свойств материала и химической стойкости способствует низкое содержание стекловидной фазы.

Хотя контроль за фазовым составом и структурой в связи с тонкозернистостью ситаллов осуществляется в основном методами рентгенофазового анализа и электронной микроскопии, при активном участии петрологов проводится исследование кинетики зародышеобразования и роста кристаллов, являющихся теоретической основой главных стадий производства ситаллов.

Вопросы переохлаждения расплавов не чужды петрологии. Рассмотренные закономерности служат основой объяснения образования природных стекол и ряда мелкозернистых структур при магматических процессах (), в частности оторочек малоглубинных интрузивных тел. Существенны они и для методики закалки при проведении эксперимента (см. раздел).

Дополнительная литература.

Павлушкин Н.М. Основы технологии ситаллов.- М., Стройиздат, 1979.

Бережной А.И. Ситаллы и фотоситаллы. - М., Машиностроение, 1981.



СИТАЛЛЫ (стеклокристаллич. материалы), неорг. материалы, получаемые направленной кристаллизацией разл. стекол при их термич. обработке. Состоят из одной или нескольких кристаллич. фаз. В С. мелкодисперсные кристаллы (до 2000 нм) равномерно распределены в стекловидной матрице. Кол-во кристаллич. фаз в С. может составлять 20-95% (по объему). Изменяя состав стекла, тип инициатора кристаллизации (катализатора) и режим термич. обработки, получают С. с разл. кристаллич. фазами и заданными св-вами (см. табл.). Впервые С. были изготовлены в 50-х гг. 20 в. Материалы, подобные С., за рубежом наз. пирокера-мом, девитрокерамом, стеклокерамом.



С. обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, малым термич. расширением, хим. и термич. устойчивостью, газо- и влагонепроницаемостью. По своему назначению м. б. разделены на технические и строительные. Технические С. получают на основе систем: 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. По осн. св-ву и назначению подразделяются на высокопрочные, радиопрозрачные химически стойкие, прозрачные термостойкие, износостойкие и химически стойкие, фотоситаллы, слюдоси-таллы, биоситаллы, ситаллоцементы, ситаллоэмали, С. со спец. электрич. св-вами.





Высокопрочные С. получают гл. обр. на основе стекол систем MgO-Al2O3-SiO2 (кордиеритовые составы) и Na2O-Al2O3-SiO2 (нефелиновые составы). Для первых инициатором кристаллизации служит TiО2; sизг для них 240-350 МПа. С. нефелиновых составов после упрочнения ионообменной обработкой в расплавл. солях К имеют sизг 1370 МПа. Области применения высокопрочных С.-раке-то- и авиастроение (обтекатели антенн), радиоэлектроника.



Оптически прозрачные термостойкие и радиопрозрачные химически стойкие С. получают на основе стекол системы Li2О - А12О3 - SiO2 (сподумено-эвкриптитовые составы); инициатор кристаллизации -ТiO2. В оптически прозрачных С. размер кристаллов не превышает длины полуволны видимого света. С., содержащие в качестве основных кристаллич. фаз эвкриптит (Li2OAl2O32SiO2) или сподумен (Li2О Аl2О44SiO2), имеют, кроме того, температурные коэф. расширения, близкие к нулю, и иногда даже отрицательные-до -510-6 К-1. Области применения -космич. и лазерная техника, астрооптика. Введение в состав таких С. активаторов люминесценции и спед. добавок позволяет применять их в солнечных батареях.



Износостойкие и химически стойкие С. 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 разл. хим. средах. Применяются в текстильной, хим., автомобильной пром-сти, буровой и горнодобывающей технике.



Фотоситаллы обычно получают на основе стекол системы Li2O-Al2O3-SiO2 со светочувствит. добавками (соед. Аи, Ag, Сu), к-рые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют его избират. кристаллизации. Находят применение в микроэлектронике, ракетной и космич. технике, оптике, полиграфии как светочувствит. материалы (напр., для изготовления оптич. печатных плат, в качестве светофильтров).



Слюдоситаллы получают на основе стекол системы MgO-Al2O3-SiO2-K2O-F (фторфлогопитовые, фтор-рихтеритовые, фторамфиболовые составы). Сочетают высокие мех. и электрич. св-ва с хорошей мех. 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 лолучают обычно на основе стекол системы СаО - MgO - SiO2 - Р2О5 (апатито-волластонитовые составы). Высокая мех. прочность, биол. 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 коэф. теплового расширения (4-10) 10-6 К-1; применяются для спаивания стеклодеталей цветных кинескопов и электроннолучевых трубок, герметизации полупроводниковых приборов, в произ-ве жидкокристаллич. индикаторов, в микроэлектронике. Перспективно также использование таких С. в качестве стеклокристаллич. покрытий (стеклоэмалей), наносимых на пов-сть разл. металлов (W, Mo, Nb, Та, их сплавов, разл. видов стали) с целью защиты их от коррозии, окисления и износа при обычных и повыш. т-рах. Отличаются повыш. термо- и жаростойкостью, устойчивостью к истиранию, высокой мех. и электрич. прочностью. Применяются в качестве покрытий для деталей дизелей, газотурбинных установок, атомных реакторов, авиационных приборов, электронагреват. элементов.



С. со спец. электрич. св-вами получают на основе стекол систем ВаО-Аl2О3-SiO2-ТiO2 и Nb2O5-CoO-Na2O--SiO2. Характеризуются высокой диэлектрич. проницаемостью (e 240-1370) и низким коэф. диэлектрич. потерь (1,5-3,2). Используются для изготовления низкочастотных конденсаторов большой емкости, пьезоэлементов и др. Разработаны полупроводниковые, ферромагнитные, ферро-электрич., сегнетоэлектрические С. с разл. сочетанием электрич. св-в. С. на основе стекол системы MgO-Al2O3-SiO2 имеют очень низкий tg d (3 10-4 при 25 С и 104 МГц), С. на основе метаниобата Рb- высокую диэлектрич. проницаемость (e 1000-2000). На основе стекол B2O3-BaO-Fe2O3 получены С. с одно- и многодоменной структурой с размером доменов ~ 500 им.



К группе строительных С. относят шлако-, золо-, пет-роситаллы, получаемые с использованием шлаков черной и цветной металлургии, зол, горных пород. В зависимости от хим. состава используемых отходов, определяющих вид доминирующей кристаллич. фазы, подразделяются на вол-ластонитовые, пироксеновые (инициаторы кристаллизации-оксиды Cr, Ti, Fe, фториды), мелилитовые (система CaO-MgO-2Al2O3-SiO2, инициатор кристаллизации--оксид Сr), пироксен-авгитовые и геденбергитовые (система СаО - MgO - Fe2 О3 - Аl2 р3 - SiO2), форстеритовые (система CaO-MgO-SiO2) и эгириновые (Na2O--Fe2O3-SiO2) С. Они имеют высокие прочностные характеристики (sизг 100-180 МПа), высокую микротвердость (8500-9000 МПа), относительно низкую истираемость (0,05 г/см2), высокую стойкость к хим. и термин, воздействиям. Применяются в стр-ве, горнодобывающей, хим. и др. отраслях пром-сти.



Получают С. и изделия из них гл. обр. с использованием стекольной и керамич. технологии, иногда по хим. способу. Наиб. распространена т. наз. стекольная технология, включающая варку стекла из шихты (см. Стекло неорганическое), формование изделий (прессование, прокатка, центробежное литье) и термич. обработку. Последняя стадия обеспечивает кристаллизацию стекла вследствие введения в стекольную массу спец. инициаторов-каталитич. добавок - оксидов Ti, Сг, Ni, Fe, фторидов, сульфидов, металлов платиновой группы, а также вследствие склонности стекол к ликвации, способствующей образованию пов-сти раздела фаз и приближающей хим. состав микрообластей к составу будущих кристаллов. Термич. обработку осуществляют обычно по двухступенчатому режиму; т-ра перв