Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Стеклокерамика - это поликристаллический материал, получаемый путем контролируемой кристаллизации основного стекла. Стеклокерамические материалы имеют много свойств с обеими стеклами и керамикой . Стеклокерамика имеет аморфную фазу и одну или несколько кристаллических фаз и производится путем так называемой «контролируемой кристаллизации», в отличие от спонтанной кристаллизации, которая обычно не требуется при производстве стекла. Стеклокерамика имеет преимущество в производстве перед стеклом, а также особые свойства керамики. При использовании для герметизации стеклокерамика не требует пайки, но может выдерживать температуру пайки до 700 ° C. [1]Стеклокерамика обычно имеет кристалличность от 30% [м / м] до 90% [м / м] и дает множество материалов с интересными свойствами, такими как нулевая пористость , высокая прочность, вязкость, полупрозрачность или непрозрачность , пигментация , опалесценция , низкая или даже отрицательное тепловое расширение , высокая температурная стабильность, флуоресценция , обрабатываемость, ферромагнетизм , резорбция или высокая химическая стойкость, биосовместимость , биоактивность , ионная проводимость, сверхпроводимость , изоляционные возможности, низкая диэлектрическая постоянная и потери, высокиеудельное сопротивление и напряжение пробоя. Эти свойства можно регулировать, контролируя состав основного стекла и контролируя термическую обработку / кристаллизацию основного стекла. В производстве стеклокерамика ценится за прочность керамики, но за ее герметичность, как у стекла.

Стеклокерамика в основном производится в два этапа: во-первых, стекло формируется в процессе производства стекла. Стекло охлаждают, а затем повторно нагревают на втором этапе. При такой термообработке стекло частично кристаллизуется . В большинстве случаев зародышеобразователи добавляют в базовый состав стеклокерамики. Эти агенты зародышеобразования помогают и контролируют процесс кристаллизации. Поскольку прессование и спекание обычно не происходит, стеклокерамика не имеет пор, в отличие от спеченной керамики .

Существует множество стеклокерамических систем, например система Li 2 O × Al 2 O 3 × n SiO 2 (система LAS), система MgO × Al 2 O 3 × n SiO 2 (система MAS), система ZnO × система Al 2 O 3 × n SiO 2 (система ZAS).

Зарождение и рост кристаллов [ править ]

Ключом к созданию стеклокерамического материала является контроль зарождения и роста кристаллов в основном стекле. Степень кристалличности будет варьироваться в зависимости от количества присутствующих ядер, а также времени и температуры, при которой материал нагревается. [2] [3] Важно понимать типы зародышеобразования, происходящие в материале, будь то гомогенный или гетерогенный.

Гомогенное зародышеобразование - это процесс, являющийся результатом внутренней термодинамической нестабильности стеклообразного материала. [3] Когда к системе приложено достаточно тепловой энергии, метастабильная стеклообразная фаза начинает возвращаться в кристаллическое состояние с более низкой энергией. [2] Термин «гомогенный» используется здесь, потому что образование зародышей происходит из основного стекла без каких-либо вторых фаз или поверхностей, способствующих их образованию.

Гетерогенное зародышеобразование - это термин, используемый, когда в систему вводят вторую фазу или «зародышеобразователь». [3] Присутствие второй фазы или поверхности может действовать как катализатор зародышеобразования и особенно эффективно при эпитаксии между ядром и подложкой. [3]

Стеклокерамика в медицине [ править ]

Стеклокерамика используется в медицине из-за ее уникального взаимодействия или отсутствия такового с тканями человеческого тела. Биокерамику обычно разделяют на следующие группы в зависимости от ее биосовместимости: биопассивная (биоинертная), биоактивная или рассасывающаяся керамика. [2]

Биопассивная (биоинертная) керамика, как следует из названия, характеризуется ограниченным взаимодействием материала с окружающей биологической тканью. [2] Исторически это были биоматериалы «первого поколения», которые использовались для замены отсутствующих или поврежденных тканей. [2] Одной из проблем, связанных с использованием инертных биоматериалов, была реакция организма на инородный объект; Было обнаружено, что произойдет явление, известное как «фиброзная инкапсуляция», когда ткани будут расти вокруг имплантата в попытке изолировать объект от остальной части тела. [2] Это иногда вызывало множество проблем, таких как некроз или секвестрация имплантата. [2] Два обычно используемых биоинертных материала - это оксид алюминия (Al2O3) и диоксид циркония (ZrO2).[2]

СЭМ изображение двух костеобразующих остеобластов, ползающих по кристаллам монетита.

Биоактивные материалы обладают способностью образовывать связи и взаимодействовать с естественными тканями. [2] В случае костных имплантатов два свойства, известные как остеокондукция и остеоиндукция, играют важную роль в успехе и долговечности имплантата. [2] Остеокондукция относится к способности материала способствовать росту кости на поверхности, а также в порах и каналах материала. [2] [4] Остеоиндукция - это термин, используемый, когда материал стимулирует пролиферацию существующих клеток, заставляя новую кость расти независимо от имплантата. [2] [4] Как правило, биоактивность материала является результатом химической реакции, обычно растворения имплантированного материала. [2]Керамика из фосфата кальция и биоактивные стекла обычно используются в качестве биоактивных материалов, поскольку они проявляют такую ​​способность растворяться при попадании в ткань живого организма. [2] Одна из инженерных целей, связанных с этими материалами, состоит в том, чтобы скорость растворения имплантата была точно согласована со скоростью роста новой ткани, что привело к состоянию динамического равновесия. [2]

Резорбируемая керамика похожа на биоактивную керамику во взаимодействии с телом, но основное отличие заключается в степени, в которой происходит растворение. Рассасывающаяся керамика предназначена для постепенного полного растворения, в то время как на ее месте растет новая ткань. [2] Архитектура этих материалов стала довольно сложной, с введением пеноподобных каркасов для максимального увеличения площади поверхности раздела между имплантатом и тканями тела. [4] Одной из проблем, возникающих при использовании высокопористых материалов для биоактивных / рассасывающихся имплантатов, является низкая механическая прочность, особенно в таких несущих нагрузку областях, как кости ног. [4]Примером рассасывающегося материала, который добился некоторого успеха, является трикальцийфосфат (TCP), однако он также не обладает механической прочностью при использовании в зонах с высоким напряжением. [2]

Система LAS [ править ]

Наиболее важной с коммерческой точки зрения системой является система Li 2 O × Al 2 O 3 × n SiO 2 (система LAS). Система LAS в основном относится к смеси оксидов лития , кремния и алюминия с дополнительными компонентами, например, агентами, образующими стеклофазу, такими как Na 2 O, K 2 O и CaO, и рафинирующими агентами. В качестве зародышеобразователей чаще всего используется оксид циркония (IV) в сочетании с оксидом титана (IV). Эта важная система была впервые интенсивно изучена Хаммелем [5] и Смоуком. [6]

После кристаллизации преобладающей кристаллической фазой в стеклокерамике этого типа является твердый раствор с высоким содержанием кварца (HQ ss). Если стеклокерамика подвергается более интенсивной термической обработке, эта HQ ss превращается в твердый раствор кеатита (K ss, иногда ошибочно называемый бета- сподуменом ). Этот переход необратим и реконструктивен, что означает, что связи в кристаллической решетке разорваны и устроены заново. Однако эти две кристаллические фазы имеют очень похожую структуру, которую мог показать Ли. [7]

Интересным свойством этой стеклокерамики является их термомеханическая прочность. Стеклокерамика системы LAS является механически прочным материалом и может выдерживать многократные и быстрые перепады температуры до 800–1000 ° C. Доминирующая кристаллическая фаза стеклокерамики LAS, HQ ss, имеет сильный отрицательный коэффициент теплового расширения.(CTE), кеатит-твердый раствор все еще имеет отрицательный CTE, но намного выше, чем HQ ss. Эти отрицательные CTE кристаллической фазы контрастируют с положительным CTE остаточного стекла. Регулировка пропорции этих фаз предлагает широкий диапазон возможных CTE в готовом композите. В основном для современных приложений требуется низкий или даже нулевой CTE. Также возможен отрицательный КТР, что означает, что в отличие от большинства материалов при нагревании такая стеклокерамика сжимается. В определенный момент, обычно между 60% [м / м] и 80% [м / м] кристалличностью, два коэффициента уравновешиваются, так что стеклокерамика в целом имеет коэффициент теплового расширения, очень близкий к нулю. Также, когда поверхность раздела между материалами будет подвержена термической усталости, стеклокерамика может быть скорректирована в соответствии с коэффициентом материала, к которому они будут приклеиваться.

Стеклокерамика LAS , первоначально разработанная для использования в зеркалах и опорах для астрономических телескопов , стала известна и вышла на внутренний рынок благодаря использованию в стеклокерамических варочных панелях , а также в посуде и формах для выпечки или в качестве высокоэффективных отражателей для цифровых проекторов. .

Композиты с керамической матрицей [ править ]

Одним из наиболее заметных применений стеклокерамики является обработка композитов с керамической матрицей . Для многих композитов с керамической матрицей нельзя использовать типичные значения температуры и времени спекания, поскольку разрушение и коррозия составляющих волокон становятся все более серьезной проблемой по мере увеличения температуры и времени спекания. Одним из примеров этого являются волокна SiC, которые могут начать разлагаться в результате пиролиза при температурах выше 1470 К. [8]Одним из решений этого является использование стекловидной формы керамики в качестве исходного материала для спекания, а не керамики, поскольку в отличие от керамики стеклянные гранулы имеют точку размягчения и обычно текут при гораздо более низких давлениях и температурах. Это позволяет использовать менее экстремальные параметры обработки, делая возможным производство многих новых технологически важных комбинаций волокна и матрицы путем спекания.

Варочные панели [ править ]

Стеклокерамика LAS-System - это механически прочный материал, способный выдерживать многократные и быстрые перепады температуры. Однако он не является полностью неразрушимым. Поскольку это все еще хрупкий материал, как стекло и керамика, его можно разбить. Были случаи, когда пользователи сообщали о повреждении своих варочных панелей, когда по поверхности ударяли твердым или тупым предметом (например, банкой, падающей сверху, или другими тяжелыми предметами).

Материал имеет очень низкий коэффициент теплопроводности , что означает, что он остается прохладным вне зоны приготовления пищи. Его можно сделать почти прозрачным (потери 15–20% в типичной варочной панели) для излучения в инфракрасном диапазоне длин волн .

В видимом диапазоне стеклокерамика может быть прозрачной, полупрозрачной или непрозрачной и даже окрашенной красителями.

Варочная панель из стеклокерамики

Сегодня существует два основных типа электрических печей с варочными панелями из стеклокерамических:

  • В стеклокерамической печи в качестве нагревательных элементов используются излучающие нагревательные змеевики или инфракрасные галогенные лампы. Поверхность стеклокерамической варочной панели над конфоркой нагревается, но прилегающая поверхность остается прохладной из-за низкого коэффициента теплопроводности материала.
  • Индукционная печь нагревает металлическое дно горшка непосредственно через электромагнитную индукцию .

Эта технология не совсем нова, поскольку стеклокерамические плиты были впервые представлены в 1970-х годах с использованием столешниц Corningware вместо более прочного материала, используемого сегодня. Эти гладкие поверхности первого поколения были проблематичными и могли использоваться только с посудой с плоским дном, поскольку нагревание было в основном кондуктивным, а не излучательным. [9]

По сравнению с обычными кухонными плитами стеклокерамические варочные панели относительно просты в уходе из-за их плоской поверхности. Однако стеклокерамические варочные панели можно очень легко поцарапать, поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы не скользить сковороды по поверхности. Если пища с высоким содержанием сахара (например, варенье) разлилась, никогда не позволяйте ей высыхать на поверхности, иначе это может повредить продукт. [10]

Для достижения наилучших результатов и максимальной теплопередачи вся посуда должна быть плоской и соответствовать размеру зоны конфорки.

Отраслевые и материальные различия [ править ]

Форма для запекания и другая посуда CorningWare с узором "Василек"

Некоторые известные марки стеклокерамики: Pyroceram , Ceran , Eurokera, Zerodur , Macor , Kedi и Kanger . Nippon Electric Glass - ведущий мировой производитель стеклокерамики, чья сопутствующая продукция в этой области включает в себя стеклокерамические материалы FireLite и NeoCeram для архитектурных и высокотемпературных применений соответственно. Кералит , производимый Vetrotech Saint-Gobain, представляет собой специальный стеклокерамический материал с классом огнестойкости и ударопрочности, предназначенный для использования в огнестойких областях. [11] Стеклокерамика, произведенная в Советском Союзе /Россия известна под именем Ситалл . Macor - это белый стеклокерамический материал без запаха, похожий на фарфор, который изначально был разработан Corning Inc. для минимизации теплопередачи во время пилотируемых космических полетов. [12] StellaShine , запущенный в 2016 году компанией Nippon Electric Glass Co. , представляет собой термостойкое стекло. -керамический материал с термостойкостью до 800 градусов Цельсия. [13] Он был разработан как дополнение к линейке жаропрочных плит Nippon для варочных панелей вместе с такими материалами, как Neoceram . KangerTechявляется производителем электронных сигарет, который начал свою деятельность в Шэньчжэне, Китай, и производит стеклокерамические материалы и другие специальные изделия из закаленного стекла, такие как емкости для модификации испарителей. [14] TGP (Technical Glass Products) - производитель стеклокерамики, ориентированный на безопасность, который продолжает производить такие продукты, как FireLite, пожарные рамы и Pilkington Pyrostop. [15]

Материал того же класса используется в стеклокерамической посуде Visions и CorningWare , что позволяет переносить ее из морозильной камеры прямо на плиту или духовку без риска теплового удара, сохраняя при этом прозрачный вид стеклянной посуды. [16]

История [ править ]

Открытие стеклокерамики приписывают человеку по имени Дональд Стуки , известному ученому в области стекла, проработавшему в Corning Inc. 47 лет. [3] [17] Первая итерация возникла из стеклянного материала Fotoform , который также был обнаружен Stookey, когда он искал материал, способный к фототравлению , для использования в экранах телевизоров. [18] Вскоре после начала Fotoform, первый керамический материал был обнаружен , когда Стуки перегрет пластину Fotoform в печи при температуре 900 градусов по Цельсию и обнаружили , непрозрачный, молочно-белую пластину внутри печи , а не расплавленный беспорядок , который , как ожидалось. [3]Изучая новый материал, который Stookey удачно назвал Fotoceram , он заметил, что он был намного прочнее, чем Fotoform, из которого он был создан, поскольку он выдержал короткое падение на бетон. [18]

В конце 1950-х годов Stookey разработала еще два стеклокерамических материала: один нашел применение в качестве обтекателя в носовой части ракет [19], а другой привел к созданию линии потребительской посуды, известной как Corningware . [17] Corning руководители объявили Stookey открытие «ы о последнем„нового основного материала под названием“ ситалла , который преподносится как легкий, прочный, которое может быть электрическим изолятором и в то же термически ударопрочность. В то время было всего несколько материалов, которые предлагали определенную комбинацию характеристик, которую делает Pyroceram , и материал был раскатан какЛиния кухонь Corningware 7 августа 1958 г. [20]

Некоторые успехи, которые принес Pyroceram, вдохновили Corning на усилия по укреплению стекла, что стало усилием технического директора Corning под названием Project Muscle. [20] Менее известный «сверхпрочный» стеклокерамический материал Chemcor (ныне известный как Gorilla Glass ), разработанный в 1962 году, был произведен командой Corning по производству стекла благодаря усилиям Project Muscle. [20] Chemcor даже будет использоваться для обновления линейки продуктов Pyroceram, поскольку в 1961 году Corning запустила Centura Ware , новую линейку продуктов Pyroceram.который был облицован многослойным стеклом (изобретенным Джоном МакДауэллом ) и обработан методом Chemcor . [20] Stookey продолжал продвигаться вперед в открытии свойств стеклокерамики, поскольку он обнаружил, как сделать материал прозрачным в 1966 году. [20] Хотя Corning не выпускал продукт со своей новой инновацией, опасаясь каннибализма Продажи Pyrex , до конца 1970-х годов под названием Visions . [20]

FireLite , прозрачный стеклокерамический материал, предназначенный для комбинированного использования с огнестойкими дверями и другими защитными материалами, был выпущен в 1988 году компанией Nippon Electric Glass . [21] Стеклокерамика толщиной 5 мм способна выдержать давление пожарного рукава через 20-90 минут (в зависимости от марки используемой керамики) нагрева в печи, и все еще позволяет пропускать 88% видимого света. через его поверхность. [15] Этот продукт до сих пор широко используется и производится такими компаниями, как TGP (Technical Glass Products), бренд огнестойкой стеклокерамики, входящий в состав конгломерата индустрии безопасности Allegion . [22]

Источники [ править ]

  1. ^ "Стеклокерамические композиционные материалы для герметичных уплотнений | Elan" . Elan Technology . Проверено 13 июня 2017 .
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q Эль-Мелиеги, Эмад; Ван Норт, Ричард (2012). Стекла и стеклокерамика для медицинского применения . Springer. С. 13–17, 109–114.
  3. ^ a b c d e f Голландия, Вольфрам; Райнбергер, Фолькер; Швайгер, Марсель (15 марта 2003 г.). «Контроль нуклеации в стеклокерамике». Королевское общество . 361 (1804): 575–589. Bibcode : 2003RSPTA.361..575H . DOI : 10,1098 / rsta.2002.1152 . S2CID 98126210 - через JSTOR. 
  4. ^ a b c d Герхард, Лутц-Кристиан (2010). «Биоактивное стекло и стеклокерамические каркасы для инженерии костных тканей» . Материалы . 3 (7): 3870–3890. Bibcode : 2010Mate .... 3.3867G . DOI : 10,3390 / ma3073867 . PMC 5445790 . PMID 28883315 .  
  5. Перейти ↑ Hummel, FA (1951). «Свойства теплового расширения некоторых синтетических минералов лития». Журнал Американского керамического общества . 34 (8): 235–239. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1951.tb11646.x .
  6. Перейти ↑ Smoke, EJ (1951). «Керамические композиции с отрицательным линейным тепловым расширением». Журнал Американского керамического общества . 34 (3): 87–90. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1951.tb13491.x .
  7. ^ Ли, CT (1971). «Механизм превращения высококварцевой и кеатитовой фаз состава LiAlSi 2 O 6 ». Acta Crystallographica . 27 (6): 1132–1140. DOI : 10.1107 / S0567740871003649 .
  8. ^ Г. Чоллон и др. Al. (1997), Термическая стабильность SiC-волокна на основе PCS с низким содержанием кислорода (Hi-Nicalon), Journal of Materials Science.
  9. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2005-03-23 . Проверено 3 августа 2008 .CS1 maint: archived copy as title (link)
  10. ^ «Диапазон - Инструкции по очистке стеклянной варочной поверхности» . www.geappliances.com . Проверено 13 июня 2017 .
  11. ^ "KeraLite | Vetrotech" . Ветротех | Сен-Гобен . Проверено 4 декабря 2020 .
  12. ^ Попович, Лео (2020). «Подробности Macor» . Mindrum Precision . Проверено 4 декабря 2020 .
  13. ^ «Nippon Electric Glass: новый бренд StellaShine ™, стеклокерамика для верхних пластин кухонных приборов» . MarketScreener . Проверено 4 декабря 2020 .
  14. ^ "Страница истории KangerTech" . KangerTech . Проверено 4 декабря 2020 .
  15. ^ a b "Брошюра TGP" . www.fireglass.com . Проверено 24 ноября 2020 .
  16. ^ «LeCLAIR.vision: ИНФОРМАЦИЯ И ЧАВО О CORNING VISIONS» . LeCLAIR.vision . Проверено 4 декабря 2020 .
  17. ^ a b Ярдли, Уильям (07.11.2014). «С. Дональд Стуки, ученый, умер в возрасте 99 лет; среди его изобретений была CorningWare (опубликована в 2014 году)» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 4 декабря 2020 . 
  18. ^ a b Билл, Джордж Х. (2016). «Доктор С. Дональд (Дон) Стуки (1915–2014): новаторский исследователь и авантюрист» . Границы в материалах . 3 : 37. Bibcode : 2016FrMat ... 3 ... 37B . DOI : 10.3389 / fmats.2016.00037 . ISSN 2296-8016 . 
  19. ^ «Дональд Стуки - парень, который дал нам CorningWare - умер в 99 лет» . Новости химии и техники . Проверено 4 декабря 2020 .
  20. ^ Б с д е е Дайер, Дэвис, Daniel Gross (2001). Поколения Corning: жизнь и времена глобальной корпорации . Издательство Оксфордского университета. стр. 246–256, 279. ISBN 978-0195140958.
  21. ^ «История компании» . Nippon Electric Glass Co., Ltd. (на японском языке) . Проверено 24 ноября 2020 .
  22. ^ «Наша история» . Allegion Corp . Проверено 24 ноября 2020 .

Литература [ править ]

  • McMillan PW, "Стеклянная фаза в стеклокерамике", Glass Technology, 1974, Vol. 15 (1), С. 5-15
  • Бах Х. (редактор), "Стеклокерамика с низким тепловым расширением", Springer-Verlag (1995).
  • Холанд, Вольфрам и Билл, Джордж Х. Стеклокерамические технологии. Wiley, 2002. ISBN 978-1-57498-107-0.