Стеклокерамика - Glass-ceramic

Стеклокерамика находятся поликристаллический материалы, полученные путем контролируемой кристаллизации основного стекла. Стеклокерамические материалы имеют много общих свойств с обоими очки и керамика. Стеклокерамика имеет аморфный фаза и один или несколько кристаллический фазы и получаются 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 некоторые стеклокерамические материалы не требуют пайка но выдерживает 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 ноль. пористость, высокая прочность, ударная вязкость, полупрозрачность или же непрозрачность, пигментация, опалесценция, низкий или даже отрицательный тепловое расширение, высокая температурная стабильность, флуоресценция, обрабатываемость, ферромагнетизм, рассасываемость или высокая химическая стойкость, биосовместимость, биологическая активность, ионная проводимость, сверхпроводимость, возможности изоляции, низкие диэлектрическая постоянная и потеря, высокая удельное 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 герметичное уплотнение свойства 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 зарождение агенты добавляются в базовый состав стеклокерамики. Эти агенты зародышеобразования помогают и контролируют процесс кристаллизации. Поскольку прессования и спекания обычно не происходит, стеклокерамика, в отличие от спеченная керамика, без пор.

Существует множество стеклокерамических систем, например, Li2O × Al2О3 × пSiO2 система (система LAS), MgO × Al2О3 × пSiO2 система (система MAS), ZnO × Al2О3 × пSiO2 система (система ZAS).

Зарождение зародышей и рост кристаллов

Ключом к созданию стеклокерамического материала является контроль зарождение и рост 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, возникающий в результате внутренней термодинамической нестабильности стеклообразного материала.[3] Когда в систему подается достаточно тепловой энергии, метастабильный стеклообразная фаза начинает возвращаться в более низкоэнергетическое, кристаллическое состояние.[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, если есть эпитаксия между ядром и субстратом.[3]

Стеклокерамика в медицине

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 их биосовместимости: биопассивные (биоинертные), биоактивный, 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», используемые 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] Иногда это 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 ткани 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 определенного успеха, является трикальцийфосфат (TCP), однако он также не обладает механической прочностью при использовании в зонах с высокими нагрузками.[2]

Система LAS

Наиболее важной с коммерческой точки зрения системой является система Li2O × Al2О3 × пSiO2 система (система LAS). Система LAS в основном относится к сочетанию литий, кремний, и алюминий оксиды с дополнительными компонентами, например, веществами, образующими стеклофазу, такими как Na2OK2O и CaO и рафинирующие агенты. В качестве зародышеобразователей чаще всего используется оксид циркония (IV) в сочетании с оксидом титана (IV). Эта важная система была впервые и интенсивно изучена Хаммелем,[5] и дым.[6]

После кристаллизации преобладающей кристаллической фазой в стеклокерамике этого типа является твердый раствор с высоким содержанием кварца (HQ s.s.). Если стеклокерамика подвергается более интенсивной термической обработке, это HQ s.s. превращается в твердый раствор кеатита (K s.s., иногда ошибочно называемый бета-сподумен ). 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 s.s., имеет сильную отрицательный коэффициент температурного расширения (CTE), кеатит-твердый раствор все еще имеет отрицательный CTE, но намного выше, чем HQ s.s. Эти отрицательные КТР кристаллической фазы контрастируют с положительным КТР 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. Кроме того, когда поверхность раздела между материалами будет подвергаться термическому усталость, стеклокерамику можно отрегулировать в соответствии с коэффициентом материала, к которому они будут приклеиваться.

Первоначально разработан для использования в зеркала и зеркальные крепления астрономических телескопы, Стеклокерамика LAS стала известна и вышла на внутренний рынок благодаря использованию в стеклокерамике. варочные панели, а также посуда и формы для выпечки или как высокоэффективные отражатели для цифровых проекторов.

Композиты с керамической матрицей

Одно из наиболее заметных применений стеклокерамики - обработка композиты 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

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 при ударе по поверхности твердым или тупым предметом (например, банкой, падающей сверху, или другими тяжелыми предметами).

Материал имеет очень низкую коэффициент теплопроводности, а это значит, что вне зоны приготовления пищи он остается прохладным. Ее можно сделать почти прозрачной (потери 15–20% в типичной варочной панели) для излучения в помещении. инфракрасный длины волн.

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

Стеклокерамика варочная панель

Сегодня, есть два основных типа электрических печи с варочными панелями из стеклокерамики:

  • Стеклокерамическая печь использует лучистое отопление катушки или инфракрасный галоген лампы в качестве нагревательных элементов. Поверхность стеклокерамической варочной панели над конфоркой нагревается, но прилегающая поверхность остается прохладной из-за низкого коэффициента теплопроводности материала.
  • An индукционная плита нагревает металл дно кастрюли прямо через электромагнитная индукция.

Эта технология не совсем нова, поскольку стеклокерамические плиты были впервые представлены в 1970-х годах. Corningware топы 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 высохнуть 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.

Различия в отраслях и материалах

CorningWare запеканка и другие предметы посуды с узором "Василек"

Некоторые известные марки стеклокерамики Пирокерам, Ceran, Еврокера, Зеродур, Macor, Кеди и Кангер. Стекло Nippon Electric Glass является ведущим мировым производителем стеклокерамики, чьи сопутствующие товары в этой области включают FireLite, и NeoCeram, стеклокерамические материалы для архитектурных и высокотемпературных применений соответственно. Кералит, изготовлены по Ветротех Saint-Gobain - это специальный стеклокерамический материал с классом огнестойкости и ударопрочности, предназначенный для использования в огнестойких условиях.[11] Стеклокерамика производства Советский союз /Россия известны под именем Ситалл. Macor представляет собой белый стеклокерамический материал без запаха, напоминающий фарфор, который изначально был разработан для минимизации теплопередачи во время пилотируемых космических полетов. Corning Inc.[12] StellaShine, запущен в 2016 г. Nippon Electric Glass Co., представляет собой термостойкий стеклокерамический материал с термостойкостью до 800 градусов Цельсия.[13] Это было разработано как дополнение к Nippon линия жаропрочных плит для готовки, а также из таких материалов, как Neoceram. KangerTech является производителем электронных сигарет, который начал свою деятельность в Шэньчжэне, Китай, и производит стеклокерамические материалы и другие специальные изделия из закаленного стекла, такие как резервуары 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 также используется в Видения и CorningWare стеклокерамическая посуда, позволяющая переносить ее из морозильной камеры прямо на плиту или духовку без риска теплового удара, сохраняя при этом прозрачность стеклянной посуды.[16]

История

С. Дональд Стуки

Открытие стеклокерамики приписывают человеку по имени Дональд Стуки, известный ученый-стекольщик, работавший в Corning Inc. 47 лет.[3][17] Первая итерация была сделана из стеклянного материала, Фотоформ, который также был обнаружен Stookey пока он искал материал для фототравления, который можно было бы использовать на экранах телевизоров.[18] Вскоре после появления Fotoform был открыт первый керамический материал, когда Stookey перегрел пластину Fotoform в печи на 900 градусов Цельсия и обнаружил внутри печи непрозрачную молочно-белую пластину, а не расплавленный беспорядок, как ожидалось.[3] Изучая новый материал, Stookey удачно названный Фотокерам, он обратил внимание на то, что он был намного прочнее, чем фотоформ, из которого он был создан, поскольку пережил короткое падение на бетон.[18]

В конце 1950-х годов были разработаны еще два стеклокерамических материала. Stookey, один нашел применение в качестве обтекатель в носовой обтекатель ракет,[19] в то время как другой привел к линии потребительской посуды, известной как Corningware.[17] Corning руководители объявили Stookey открытие последнего «нового базового материала» под названием Пирокерам который рекламировался как легкий, прочный, способный быть электрическим изолятором и при этом устойчивый к термическому удару. В то время было не так много материалов, которые предлагали определенную комбинацию характеристик, которые Пирокерам сделал, и материал был раскатан как Corningware кухонная линия 7 августа 1958 года.[20]

Некоторые из успехов, которые Пирокерам принес вдохновленный Corning приложить усилия к укреплению стекла, что стало усилием технического директора Corning под названием Project Muscle.[20] Менее известный «сверхпрочный» стеклокерамический материал, разработанный в 1962 году, называется Chemcor (теперь известный как Стекло повышенной прочности ) был произведен Corning Стеклянная команда благодаря усилиям Project Muscle.[20] Chemcor даже будет использоваться для инноваций Пирокерам линейка продуктов как в 1961 году Corning запущен Centura Ware, новая линия Пирокерам который был облицован многослойным стеклом (изобретен Джон МакДауэлл ) и обработали Chemcor процесс.[20] Stookey продолжал продвигаться вперед в открытии свойств стеклокерамики, открыв в 1966 году, как сделать материал прозрачным.[20] Хотя Corning не стал выпускать продукт со своей новой инновацией, опасаясь каннибализма Pyrex продажи, до конца 1970-х годов под названием Видения.[20]

FireLite, прозрачный стеклокерамический материал, предназначенный для комбинированного использования с огнестойкими дверьми и другими безопасными материалами, был запущен в 1988 г. Стекло Nippon Electric Glass.[21] Стеклокерамика толщиной 5 мм способна выдерживать давление пожарного рукава после 20-90 минут (в зависимости от марки используемой керамики) нагрева в печи и все еще позволяет 88% видимого света проходить через ее поверхность. .[15] Этот продукт до сих пор широко используется и производится такими компаниями, как TGP (Technical Glass Products), бренд огнестойкой стеклокерамики, входящий в конгломерат индустрии безопасности. Аллегия.[22]

Источники

  1. ^ "Стеклокерамические композиционные материалы для герметичных уплотнений | Элан". Elan Technology. Получено 2017-06-13.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q Эль-Мелиеги, Эмад; Ван Норт, Ричард (2012). Стекла и стеклокерамика для медицинского применения. Springer. С. 13–17, 109–114.
  3. ^ а б c d е ж Холанд, Вольфрам; Райнбергер, Фолькер; Швайгер, Марсель (15 марта 2003 г.). «Контроль нуклеации в стеклокерамике». Королевское общество. 361: 575–589 - через JSTOR.
  4. ^ а б c d Герхард, Лутц-Кристиан (2010). «Биоактивное стекло и стеклокерамические каркасы для инженерии костных тканей». Материалы. 3: 3870–3890 - через ProQuest.
  5. ^ Хуммель, Ф. А. (1951). «Свойства теплового расширения некоторых синтетических минералов лития». Журнал Американского керамического общества. 34 (8): 235–239. Дои:10.1111 / j.1151-2916.1951.tb11646.x.
  6. ^ Смок, Э. Дж. (1951). «Керамические композиции с отрицательным линейным тепловым расширением». Журнал Американского керамического общества. 34 (3): 87–90. Дои:10.1111 / j.1151-2916.1951.tb13491.x.
  7. ^ Ли, К. Т. (1971). «Механизм превращения высококварцевой и кеатитовой фаз LiAlSi.2О6 сочинение". Acta Crystallographica. 27 (6): 1132–1140. Дои:10.1107 / S0567740871003649.
  8. ^ G. Chollon et. Al. (1997), Термическая стабильность SiC-волокна на основе PCS с низким содержанием кислорода (Hi-Nicalon), Journal of Materials Science.
  9. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2005-03-23. Получено 2008-08-03.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  10. ^ «Ассортимент - Инструкции по очистке стеклянной варочной панели». www.geappliances.com. Получено 2017-06-13.
  11. ^ «КераЛайт | Ветротех». Ветротех | Сен-Гобен. Получено 2020-12-04.
  12. ^ Попович, Лев (2020). «Детали Macor». Mindrum Precision. Получено 2020-12-04.
  13. ^ «Nippon Electric Glass: новый бренд StellaShine ™, стеклокерамика для верхних пластин кухонных приборов». MarketScreener. Получено 2020-12-04.
  14. ^ "Страница истории KangerTech". KangerTech. Получено 2020-12-04.
  15. ^ а б «Брошюра ТГП». www.fireglass.com. Получено 2020-11-24.
  16. ^ "LeCLAIR.vision: ИНФОРМАЦИЯ И ЧАВО О CORNING VISIONS". LeCLAIR.vision. Получено 2020-12-04.
  17. ^ а б Ярдли, Уильям (07.11.2014). «С. Дональд Стуки, ученый, умер в возрасте 99 лет; среди его изобретений была компания CorningWare (опубликована в 2014 году)». Нью-Йорк Таймс. ISSN  0362-4331. Получено 2020-12-04.
  18. ^ а б Билл, Джордж Х. (2016). «Доктор С. Дональд (Дон) Стуки (1915–2014): исследователь-новатор и искатель приключений». Границы в материалах. 3. Дои:10.3389 / фматс.2016.00037. ISSN  2296-8016.
  19. ^ «Дональд Стуки - парень, который дал нам CorningWare - умер в возрасте 99 лет». Новости химии и машиностроения. Получено 2020-12-04.
  20. ^ а б c d е ж Дайер, Дэвис, Дэниел Гросс (2001). Поколения Corning: жизнь и времена глобальной корпорации. Издательство Оксфордского университета. С. 246–256, 279. ISBN  978-0195140958.
  21. ^ "История компании". Nippon Electric Glass Co., Ltd. (на японском языке). Получено 2020-11-24.
  22. ^ "Наша история". Allegion Corp.. Получено 2020-11-24.

Литература

  • Макмиллан П.В., "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