Несмотря на весьма специфические свойства, которые невольно ассоциируются с оконным стеклом, можно так модифицировать этот материал, что его "мама родная не узнает". После обработки он вполне подойдёт для изготовления сопел реактивных двигателей, подшипников, термостойких лопаток турбин и даже для прочных термостойких покрытий космической техники.
Такие "модифицированные стёкла" образуют целый класс материалов, который называют ситаллами или стеклокристаллическими материалами. Чаще всего слово ситаллы вы встречаете в ювелирных каталогах, но на практике это лишь дополнительное прикладное применение, и далеко не самое важное.
Специфическая конструкция ситаллов
Простое неорганическое стекло - это аморфный материал. Аморфность подразумевает отсутствие строго упорядоченной структуры. Элементы конструкции хоть и могут повторяться, но выявить характерную для кристаллических тел закономерность не получится. Когда расплавленное стекло остывает и затвердевает, то формируется именно аморфная структура.
Если проводить затвердевание стекла в особых контролируемых условиях, то окажется, что уже вполне применим термин кристаллизация. Затвердевшее стекло будет называться ситаллом, а его структура - это упорядоченная кристаллическая конструкция, распределенная в аморфной фазе.
Контролируемые условия кристаллизации - это разговор для целой группы статей. Но обозначим главное. Самый простой способ получить структуру ситалла из обычного стекла - это добавлять в расплав частички, которые при охлаждении станут центрами кристаллизации. Центр позволяет не только организовать процесс кристаллизации, но и упрощает это энергетически.
Похожий процесс можно наблюдать в природе. Знаете страшную историю про озеро, куда вмёрзли кони? Дело было именно так. Кони стали центрами кристаллизации. При этом переохлажденная вода от механического колебания начала мгновенно менять фазовое состояние. Интересное и...страшное...явление.
Вокруг центров кристаллизации энергетически выгодно строить новые структуры и при таких условиях внутри аморфной стекловидной фазы прорастают упорядоченные конструкции. Получается этакий композитный материал.
Ситаллы - это почти уже керамика, но всё же наличие стеклофазы делает материал не столь упорядоченным и не позволяет отнести его к классу керамик. При этом в отличии от керамики, ситалл сделать прозрачным (помогает стеклофаза) гораздо проще, поэтому нет ничего удивительного, что они бывают и прозрачные, и непрозрачные.
Откуда берутся свойства?
Невероятная "искусственная" структура позволяет получить нестандартный диапазон свойств.
Ситаллы характеризуются высокой прочностью, приличной термостойкостью, хорошей износостойкостью, нулевым водопоглощением и высокой химической стойкостью. Стоит отметить и практически нулевой коэффициент температурного расширения.
Благодаря тому, что ситалл имеет основы кристаллической конструкции, распределенной в стекловидной фазе, это приводит к формированию этакого железобетона из стекла.
Кристаллическая структура принимает на себя механическое воздействие, а стеклофаза рассеивает удары, выполняя роль демпфера. Низкая теплопроводность обусловлена необходимостью проводимой энергии расходоваться на взаимодействие с аморфной фазой. Износостойкость достигается благодаря тому, что аморфная фаза как будто бы смазывает объекты при трении, не позволяя быстро уничтожать саму кристаллическую структуру.
Есть и ещё один важный момент - поскольку кристаллизация ситалла всегда происходит в контролируемых условиях, то структура выходит равномерная и с мелким размером зерен. Это благоприятно влияет на описываемые свойства.
Стеклокристаллические материалы получили весьма широкое распространение. Они используются практически везде, где требуется высокая термостойкость и прочность и являются практически уникальным типом материалов. Ещё одно применение таких материалов - астрономическая оптика.
Надеюсь, что было интересно! Традиционно приглашаю в гости к себе в Telegram-канал.
Комментарии (32)
vis_inet
19.11.2023 20:41+17Поясните, что за история
озеро, куда вмёрзли кони
Vsevo10d
19.11.2023 20:41+4Не знаю, что это за история, но я видел памятник, который начинался точно так же!
karavan_750
19.11.2023 20:41+1Может быть, об этом речь.
vis_inet
19.11.2023 20:41Да, очень странный случай.
Возможно, действительно, эта была ускоренная кристаллизация переохлаждённой воды.
Squoworode
19.11.2023 20:41+13Странно, что в озере с флорой, фауной и рельефом дна не оказалось ни одного центра кристаллизации...
Captain_in_the_Green_Hat
19.11.2023 20:41+3Тоже посмотрел. Тот случай, когда странный факт в контексте полностью перетягивает внимание с основного сабджа.
Касательно увиденного, не очень понял суть. Выглядит вполне нормально для провалившегося под лед в 20-градусный мороз стада, а разговоры из разряда, мариванна, я честно собирался в школу но тут вдруг каааак... Идут отдельно
RranAmaru
19.11.2023 20:41+1Тоже вначале так подумал. Но потом придумал кейс как такое могло бы произойти.
На лед навалило много чистого снега (видимо, в том районе с экологией все ок, т.е. в атмосфере не содержится никакой пыли). Потом, в теплый день, снег растаял и образовалась очень чистая вода поверх льда. Такая вода, когда ночью температура упала, вполне могла переохладится ниже нуля оставаясь жидкой. При небольшой толщине льда, кони могли провалиться и переохлажденная вода, смешавшись с озерной, быстро кристаллизовалась.
jar_ohty
19.11.2023 20:41+23Ситаллы -- это бесконечное разнообразие стеклокристаллических композитов. Не обязательно, кстати, на основе силикатных стекол: можно привести примером углеситалл. И поэтому нет у них общих свойств типа
Ситаллы характеризуются высокой прочностью, приличной термостойкостью, хорошей износостойкостью, нулевым водопоглощением и высокой химической стойкостью. Стоит отметить и практически нулевой коэффициент температурного расширения.
Скажем так: у некоторых ситаллов (например, "Астроситалла") -- близкий к нулю коэффициент температурного расширения. Некоторые ситаллы имеют высокую прочность и износостойкость, некоторые пригодны в качестве подложек для гибридных микросборок, некоторые -- как легкий конструкционный материал, заменяющий чугун и намного легче его (шлакоситалл). А огульно приписывать любому ситаллу все свойства, характерные для отдельных представителей этого обширного класса материалов -- это все равно, что сказать, что кирпичи являются средством хранения денежного запаса государств (забыв уточнить, что речь идет о золотых кирпичах).
iggr63
19.11.2023 20:41+2Небольшое дополнение. Стекла хоть и принадлежат к категории аморфных тел, однако имеют особенность - они получаются быстрым охлаждением расплава без кристаллизации. Возможность получения ситаллов, то есть стекло кристаллов, связанна с управление этим процессом посредством медиаторов.
Squoworode
19.11.2023 20:41+17Знаете страшную историю про озеро, куда вмёрзли кони?
Напомнило анекдот про людей, ссылающихся на анекдот, но не дающих его полный текст, и отдельные котлы.
ogost
19.11.2023 20:41+10Да вся статья в духе:
- Знаешь как заинтересовать идиота?
- Как?
- Завтра расскажу (в телеге)
Alexey2005
19.11.2023 20:41+3Когда-то давно читал в старом журнале (кажется, это была "Наука и жизнь", но не поручусь) подробную инструкцию по изготовлению в домашних условиях капель из закалённого стекла.
Суть в том, что кусок оконного стекла плавят на газовой горелке, в которую через иглу вдувают воздух пылесосом. После чего капли стекла падают в банку с закаливающей смесью на основе веломашинного масла (не помню уже точно, что и в каких количествах там требовалось смешать).
При этом получаются застывшие стеклянные капли с хвостиками, обладающие огромной прочностью: такую каплю можно положить на наковальню и лупить по ней молотком - и ничего с нею не случится.
Но вот если взять кусачки и аккуратно отломить хвостик, который довольно легко отламывается, то такая стеклянная капелька мгновенно взрывается, полностью рассыпаясь в пыль.
JM777
19.11.2023 20:41+1Бытовой пример ситалла — вращающаяся подставка в микроволновке. По ней кстати видно, что ситалл не только может быть прозрачным, но он ещё и мутный при этом, а значит для линз не пригоден. Может и бывают не мутные, но я сомневаюсь - сама их структура способствует оптической мутности. Статья и правда слишком поверхностная.
sergku1213
19.11.2023 20:41Не уверен что подставка в микроволновке из ситалла. Судя по цене этой подставки( продаются отдельно) это просто стекло, максимум- стекло типа Пирекс или боросиликатное( кстати, там тоже очень интересные физико-химические явления происходят, благодаря чему эти стекла имеют свои необычные свойства). Когда- то выдавила жена поленом стекло в дверце печи...Имел неудовольствие покупать новое. Поразила цена. Хоть и называют по-другому, но это ситалл. Даже видна некая неоднородность светопропускания, типа опалесценции. Но может я себя убедил
truthseeker
Эх, а почему именно в этой оптике используют подобные материалы, а в другой - нет, не написали. Заинтриговали...
CBET_TbMbI
Читал про Астроситалл. Его суть в том, что у него околонулевой коэффициент температурного расширения. А температурные деформации для зеркал телескопов страшное зло, больше, чем для чего бы то ни было ещё (там зеркала и линзы огромные и работают часто в неотапливаемых помещениях). Ну и ещё оно прочный и жесткий (опять же минимизация деформаций но уже от своего веса). И в добавок, как и любое стекло хорошо полируется.
Можно его поименять и в других сферах (подложки микросхем и т.п.).
А статья бедная, да.
mirwide
Немного добавлю. Ситалл в астрономии используется только для зеркал. Для рефракторов не важен КЛТР, ну и их не делают большими из-за других проблем: хроматической аберрации и веса. Все самые большие телескопы в мире сделаны из ситалла zerodur либо нашего астроситалла(ситалл со-115м), который делают в Лыткарино, они оба не прозрачны. Низкий КЛТР для них важен, чтобы перепад температуры не приводил к отклонению формы зеркала от параболы в пределах 1/8 от длины волны.
250 мм заготовка под рефлектор из ситалл со-115м
truthseeker
Красота! Спасибо за дополнительную информацию, и за фото.
truthseeker
Спасибо. Кратко, и понятными словами описали то, чего не хватает в статье. Подозревал, что дело в размерах астрономической оптики, и каких-то физических параметрах материала, но подозревать - одно, а знать точно, и о каких именно физических параметра идёт речь - это совсем другое:)