Шыны-керамика: құрамы, өндірілуі, қасиеттері. Бақыланатын кристалдану арқылы жасалған, берік, мөлдір материал. Көбінесе әйнек пен керамиканың ерекшеліктерін біріктіреді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жарқырап көрінетін поликристалл қатты дене
Translucent polycrystalline solid
Шыны-керамика – негізгі шынының бақыланатын кристалдану арқылы өндірілетін поликристалл материалдар, олардың құрамында кристалдардың біркелкі таралуы қамтамасыз етіледі. Кристалдануға арналған шынылар мұқият реттелген жылумен өңдеу кестесіне ұшыратылып, кристалл фазаларының пайда болуы мен өсуіне әкеледі. Көп жағдайларда кристалдану процесі дерлік аяқталады, бірақ кейбір жағдайларда қалдық шыны фазасы қалуы мүмкін. Шыны-керамикалық материалдар шыны мен керамиканың көптеген қасиеттерін бөліседі. Шыны-керамика аморфты және бір немесе бірнеше кристалдық фазалардан тұрады және шыны өндірісінде көбінесе қаланбайтын спонтанды кристалданудан өзгеше, "бақыланатын кристалдану" арқылы жасалады. Шыны-керамика шынының өңдеуге қолайлылығын және керамиканың ерекше қасиеттерін біріктіреді. Тығыздау үшін қолданылатын кейбір шыны-керамикаларға қосымша желімдеу қажет болмайды, бірақ 700°C дейінгі желімдеу температурасына төтеп бере алады. Шыны-керамиканың кристалдық деңгейі әдетте 30% [м/м] және 90% [м/м] аралығында болады, нәтижесінде нөлдік кеуектілік, жоғары беріктік, қаттылық, жартылай өткізгіштік немесе толық өткізбеушілік, пигментация, опалесценция, төмен немесе тіпті теріс жылулық кеңею, жоғары температуралық тұрақтылық, люминесценция, өңдеуге қабілеттілік, ферромагнетизм, сіңірілуге қабілеттілік немесе жоғары химиялық тұрақтылық, биоүйлесімділік, биоактивтілік, иондық өткізгіштік, жоғары өткізгіштік, оқшаулау қабілеті, төмен диэлектрлік тұрақтылық және шығындар, коррозияға төзімділік, жоғары кедергі және түсірілу кернеуі сияқты ерекше қасиеттері бар материалдар жиынтығы алынады. Бұл қасиеттер негізгі шынының құрамын бақылау және бақыланатын жылумен өңдеу/негізгі шынының кристалдануы арқылы өзгертілуі мүмкін. Өндірісте шыны-керамика керамиканың беріктігіне және шынының герметикалық сипаттарына ие болғандықтан бағалы. Шыны-керамика көбінесе екі кезеңде өндіріледі: біріншіден, шыны шыны өндіріс процесі арқылы жасалады, содан кейін салқындатылады. Екіншіден, шыны бақыланатын жылумен өңдеу кестесінен өтеді. Бұл жылумен өңдеу кезінде шыны ішінара кристалданады. Көп жағдайларда шыны-керамиканың негізгі құрамына кристалдану ядроларын қалыптастырушы заттар қосылады. Бұл ядролық агенттер кристалдану процесіне көмектеседі және оны басқарады. Престеу және күйдіру болмағандықтан, шыны-керамикада күйдірілген керамикадан айырмашылығы, тесіктер жоқ. Әртүрлі шыны-керамикалық жүйелер бар, мысалы, Li2O × Al2O3 × nSiO2 жүйесі (LAS жүйесі), MgO × Al2O3 × nSiO2 жүйесі (MAS жүйесі) және ZnO × Al2O3 × nSiO2 жүйесі (ZAS жүйесі).
Glass ceramics are polycrystalline materials produced through controlled crystallization of base glass, producing a fine uniform dispersion of crystals throughout the bulk material. Crystallization is accomplished by subjecting suitable glasses to a carefully regulated heat treatment schedule, resulting in the nucleation and growth of crystal phases. In many cases, the crystallization process can proceed to near completion, but in a small proportion of processes, the residual glass phase often remains. Glass ceramic materials share many properties with both glasses and ceramics. Glass ceramics have an amorphous phase and one or more crystalline phases and are produced by a so called "controlled crystallization" in contrast to a spontaneous crystallization, which is usually not wanted in glass manufacturing. Glass ceramics have the fabrication advantage of glass, as well as special properties of ceramics. When used for sealing, some glass ceramics do not require brazing but can withstand brazing temperatures up to 700 °C. Glass ceramics usually have between 30% [m/m] and 90% [m/m] crystallinity and yield an array of materials with interesting properties like zero porosity, high strength, toughness, translucency or opacity, pigmentation, opalescence, low or even negative thermal expansion, high temperature stability, fluorescence, machinability, ferromagnetism, resorbability or high chemical durability, biocompatibility, bioactivity, ion conductivity, superconductivity, isolation capabilities, low dielectric constant and loss, corrosion resistance, high resistivity and break down voltage. These properties can be tailored by controlling the base glass composition and by controlled heat treatment/crystallization of base glass. In manufacturing, glass ceramics are valued for having the strength of ceramic but the hermetic sealing properties of glass. Glass ceramics are mostly produced in two steps: First, a glass is formed by a glass manufacturing process, after which the glass is cooled down. Second, the glass is put through a controlled heat treatment schedule. In this heat treatment the glass partly crystallizes. In most cases nucleation agents are added to the base composition of the glass ceramic. These nucleation agents aid and control the crystallization process. Because there is usually no pressing and sintering, glass ceramics have no pores, unlike sintered ceramics. A wide variety of glass ceramic systems exist, e. g., the Li2O × Al2O3 × nSiO2 system (LAS system), the MgO × Al2O3 × nSiO2 system (MAS system), and the ZnO × Al2O3 × nSiO2 system (ZAS system).
Тарих
Француз химигі Реамур шыныдан поликристалл материалдар жасауға алғашқы тыраштар жасады. Егер шыны бөтелкелер құм мен гипс қоспасына салып, бірнеше күн қызыл ыстыққа ұшыратса, шыны бөтелкелердің түсі мөлдір болмай, фарфор сияқты болатынын көрсетті. Реамур шыныны поликристалл материалға айналдыруда сәтті болғанмен, жоғарыда аталған жақсартылған қасиеттері бар нағыз практикалық шыны-керамика жасаудың маңызды қадамы – кристалдану процесін бақылауға қол жеткізе алмады. Алғашқы нұсқауы Фотоформ шыны материалынан туындады, оны Стоуки теледидар экранында қолдануға болатын фотоэчтелмелі материал іздегенде тапқан. Фотоформ жұмысы басталғаннан кейін көп ұзамай, алғашқы керамикалық материал ашылды. Стоуки Фотоформ пластинасын 900 градус Цельсийге дейін пеште қыздырғанда, күтілген балқыған массаның орнына, пештің ішінде мөлдір емес, сүтті ақ пластина тапты. Екіншісі – тұтынушылық ас үй ыдыстарының Corningware желісіне әкелді. Pyroceram жеткен табыс Corning компаниясын шыныны күшейтуге күш салуға шабысдандырды, бұл компанияның техникалық директорының Project Muscle жобасы болды. Материалда қандай ядролану процестері жүзеге асып жатыр – гомогенді ме, әлде гетерогенді ме – екенін түсіну маңызды. Гомогенді ядролану – шыны материалдың ішкі термодинамикалық тұрақсыздығынан туындайтын процесс. Остеоиндукция – материалдың жақын маңындағы жасушаларды көбейтуге ынталандырып, имплантаттан тәуелсіз жаңа сүйек өсуіне себеп болатын жағдай. және Түтін. Кристалданудан кейін осы типтегі шыны-керамикадағы басым кристалдық фаза – жоғары кварцты қатты ерітінді (HQ s. s.). Егер шыны-керамика күшті жылумен өңделсе, бұл HQ s. s. кеатиттің қатты ерітіндісіне (K s. s., кейде бұрыс бета-сподумен деп аталады) айналады. Бұл өту қайтымсыз және қайта құрушы болып табылады, яғни кристалл торындағы байланыстар үзіліп, жаңадан орналасады. Дегенмен, бұл екі кристалл фазалары литийдің көрсеткеніне ұқсас құрылымды көрсетеді. Осы шыны-керамиканың ерекше қасиеттері – олардың термомеханикалық төзімділігі. LAS жүйесіндегі шыны-керамика механикалық жағынан берік материал болып табылады және 800–1000 °C дейінгі температураның тез және қайталамалы өзгерісіне төтеп бере алады. LAS шыны-керамикасының басым кристалдық фазасы, HQ s. s., термиялық кеңеюдің (CTE) күшті теріс коэффициентіне ие, ал кеатит қатты ерітіндісінде де теріс CTE бар, бірақ HQ s. s.-ден әлдеқайда жоғары. Кристалдық фазаның бұл теріс CTE-лері қалдық шынының оң CTE-сімен қайшы келеді. Бұл фазалардың пропорциясын реттеу дайын композициядағы КТТ-ның кең ауқымын ұсынады. Көптеген қазіргі қолданыстар үшін төмен немесе тіпті нөлдік CTE қажет. Сондай-ақ теріс CTE мүмкін, яғни көптеген материалдардан айырмашылығы, қызған кезде мұндай шыны-керамика жиырылады. Белгілі бір нүктеде, әдетте 60% [m/m] және 80% [m/m] арасындағы кристалликалық құрамында, екі коэффициент тепе-теңдікке келеді, сондықтан шыны-керамиканың термиялық кеңею коэффициенті нөлге өте жақын болады. Сонымен қатар, материалдар арасындағы интерфейс жылулық шаршауға ұшыраған кезде, шыны-керамика оларға жабысатын материалдың коэффициентіне сәйкес келтірілуі мүмкін. Бастапқыда астрономиялық телескоптардың айналары мен айна тұғырларында пайдалану үшін әзірленген LAS шыны-керамикасы танымал болды және шыны-керамикадан жасалған пісіру плиталары, сондай-ақ ыдыстар мен нан пісіруге арналған формалар немесе цифрлық проекторлар үшін жоғары өнімділік рефлекторлар ретінде қолданылуы арқылы тұтынушылар нарығына енді.
Réaumur, a French chemist, made early attempts to produce polycrystalline materials from glass, demonstrating that if glass bottles were packed into a mixture of sand and gypsum, and subjected to red heat for several days, the glass bottles turned opaque and porcelain like. Although Réaumur was successful in the conversion of glass to a polycrystalline material, he was unsuccessful in achieving the control of the crystallization process, which is a key step in producing true practical glass ceramics with the improved properties mentioned above. The first iteration stemmed from a glass material, Fotoform, which was also discovered by Stookey while he was searching for a photo etch able material to be used in television screens. Soon after the beginning of Fotoform, the first ceramic material was discovered when Stookey overheated a Fotoform plate in a furnace at 900 degrees Celsius and found an opaque, milky white plate inside the furnace rather than the molten mess that was expected. while the other led to the line of consumer kitchenware known as Corningware. Some of the success that Pyroceram brought inspired Corning to put an effort towards strengthening glass which became an effort by the technical director's of Corning titled Project Muscle. It is important to understand the types of nucleation occurring in the material, whether it is homogeneous or heterogeneous. Homogeneous nucleation is a process resulting from the inherent thermodynamic instability of a glassy material. Osteoinduction is a term used when a material stimulates existing cells to proliferate, causing new bone to grow independently of the implant. and Smoke. After crystallization the dominant crystal phase in this type of glass ceramic is a high quartz solid solution (HQ s. s.). If the glass ceramic is subjected to a more intense heat treatment, this HQ s. s. transforms into a keatite solid solution (K s. s., sometimes wrongly named as beta spodumene). This transition is non reversible and reconstructive, which means bonds in the crystal lattice are broken and new arranged. However, these two crystal phases show a very similar structure as Li could show. An interesting property of these glass ceramics is their thermomechanical durability. Glass ceramic from the LAS system is a mechanically strong material and can sustain repeated and quick temperature changes up to 800–1000 °C. The dominant crystalline phase of the LAS glass ceramics, HQ s. s., has a strong negative coefficient of thermal expansion (CTE), keatite solid solution as still a negative CTE but much higher than HQ s. s. These negative CTEs of the crystalline phase contrasts with the positive CTE of the residual glass. Adjusting the proportion of these phases offers a wide range of possible CTEs in the finished composite. Mostly for today's applications a low or even zero CTE is desired. Also a negative CTE is possible, which means, in contrast to most materials when heated up, such a glass ceramic contracts. At a certain point, generally between 60% [m/m] and 80% [m/m] crystallinity, the two coefficients balance such that the glass ceramic as a whole has a thermal expansion coefficient that is very close to zero. Also, when an interface between material will be subject to thermal fatigue, glass ceramics can be adjusted to match the coefficient of the material they will be bonded to. Originally developed for use in the mirrors and mirror mounts of astronomical telescopes, LAS glass ceramics have become known and entered the domestic market through its use in glass ceramic cooktops, as well as cookware and bakeware or as high performance reflectors for digital projectors.
Керамикалық матрицалы композиттер
Шыны керамикасының ерекше қолданылуының бір мысалы – керамикалық композиттерді өңдеу. Көптеген керамикалық матрицалы композиттер үшін қалыпты күйдіру температурасы мен уақыты қолданылмайды, себебі температура мен күйдіру уақыты артқан сайын құрамындағы талшықтардың тозуы және коррозиясы күшейе түседі. Мысалы, SiC талшықтары 1470K температурадан жоғарыда пиролиз арқылы тоза бастайды. Бұл мәселені шешудің бір жолы – керамиканың өзінен гөрі, оның шыны түрін күйдіруге қолданылатын шикізат ретінде пайдалану. Себебі, керамикадан өзгеше, шыны гранулаларының жұмсару температурасы болады және олар әдетте төмен қысым мен температурада ағып жатады. Бұл аз қиын өңдеу параметрлерін пайдалануға мүмкіндік береді, соның арқасында көптеген жаңа, технологиялық маңызы бар талшық-матрица комбинацияларын күйдіру арқылы өндіруге болады.
One particularly notable use of glass ceramics is in the processing of ceramic matrix composites. For many ceramic matrix composites typical sintering temperatures and times cannot be used, as the degradation and corrosion of the constituent fibres becomes more of an issue as temperature and sintering time increase. One example of this is SiC fibres, which can start to degrade via pyrolysis at temperatures above 1470K. One solution to this is to use the glassy form of the ceramic as the sintering feedstock rather than the ceramic, as unlike the ceramic the glass pellets have a softening point and will generally flow at much lower pressures and temperatures. This allows the use of less extreme processing parameters, making the production of many new technologically important fibre matrix combinations by sintering possible.
Өнеркәсіп пен материалдың өзгеруі
Шыны керамикасының белгілі брендтері — Пироцерам, Серан, Еврокера, Зеродур және Макор. Nippon Electric Glass — шыны керамиканың әлемдік жетекші өндірушісі, оның осы саладағы туыс өнімдері FireLite және NeoCeram, сәйкесінше архитектуралық және жоғары температуралық қолданыстарға арналған керамикалық шыны материалдары. Кералит — Vetrotech Saint Gobain компаниясы өндіретін, отқа және соққыға төзімділігі жоғары, арнайы шыны керамикалық материал. КСРО/Ресейде өндірілген шыны керамикалар Sitall деген атпен белгілі. Macor — ақ түсті, иісі жоқ, фарфор тәрізді шыны керамикалық материал және ол алғашқыда Corning Inc. компаниясымен адамдар бар ғарышқа ұшу кезінде жылудың таралуын азайту мақсатында әзірленген. 2016 жылы Nippon Electric Glass Co. ұсынған StellaShine — 800 градусқа дейін жылулық соққыға төзімді, жылуға төзімді шыны керамикалық материал. Бұл материал Neoceram сияқты материалдармен бірге Nippon компаниясының жылуға төзімді плиталарының қатарын толықтыру үшін жасалды. KangerTech — Қытайдың Шэньчжэнь қаласында құрылған, шыны керамикалық материалдарды және басқа да арнайы нығайтылған шыны қолданыстарын, мысалы, буландырғыш модификациялық резервуарларын өндіретін электронды темекі өндіруші. Осы материалдың сол класы Visions және CorningWare шыны керамикалық ыдыстарында да қолданылады, бұл оларды тоңазытқыштан тікелей пешке немесе плитаға, жылулық соққыдан қорқып, мөлдірліктерінен айрылмастан ауыстыруға мүмкіндік береді.
Some well known brands of glass ceramics are Pyroceram, Ceran, Eurokera, Zerodur, and Macor. Nippon Electric Glass is a predominant worldwide manufacturer of glass ceramics, whose related products in this area include FireLite and NeoCeram , ceramic glass materials for architectural and high temperature applications respectively. Keralite, manufactured by Vetrotech Saint Gobain, is a specialty glass ceramic fire and impact safety rated material for use in fire rated applications. Glass ceramics manufactured in the Soviet Union/Russia are known under the name Sitall. Macor is a white, odorless, porcelain like glass ceramic material and was developed originally to minimize heat transfer during crewed spaceflight by Corning Inc. StellaShine, launched in 2016 by Nippon Electric Glass Co., is a heat resistant, glass ceramic material with a thermal shock resistance of up to 800 degrees Celsius. This was developed as an addition to Nippon's line of heat resistant cooking range plates along with materials like Neoceram. KangerTech is an ecigarette manufacturer which began in Shenzhen, China which produces glass ceramic materials and other special hardened glass applications like vaporizer modification tanks. The same class of material is also used in Visions and CorningWare glass ceramic cookware, allowing it to be taken from the freezer directly to the stovetop or oven with no risk of thermal shock while maintaining the transparent look of glassware.