СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
GLASS-CERAMIC MATERIAL

Изобретение относится к производству радиопрозрачных стеклокристаллических материалов (ситаллов) в бесщелочной магнийалюмосиликатной системе с низким термическим расширением и высокой термостабильностью диэлектрической проницаемости вплоть до 1200°С для авиакосмической техники и ракетостроения. В настоящее время производство таких материалов в России отсутствует.
Наиболее известным стеклокристаллическим материалом, используемым в США для аналогичных целей, является пирокерам 9606 (З.Стрнад «Стеклокристаллические материалы», М. «Стройиздат», 1988, стр.108, 197-198), включающий следующие компоненты, мас.%:
2
2
3
2
SiО - 56,0; АlО - 20,0; MgO - 15,0; TiO - 9,0
-7
-1
Недостатком этого материала является высокое значение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) ≈57·10, К в интервале температур от 20 до 320°С.
Наиболее близким к изобретению по химическому составу является стеклокристаллический материал (патент США №4304603 от 8 декабря 1981 г), содержащий следующие компоненты, мас.%:
2
SiО - 48,0-53,0;
2
3
АlО - 21,0-25,0;
MgO - 15,0-18,0;
2
TiO - 9,5-11,5;
2
3
AsО - 0-1,0
Данный стеклокристаллический материал характеризуется хорошими диэлектрическими свойствами (диэлектрической проницаемостью 8 и тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ) и пониженным по сравнению с пирокерамом 9606 ТКЛР. Однако температура варки этих стекол составляет ≈1600°С. Высокое содержание оксида магния ведет к разъеданию огнеупоров, так как с ростом концентрации оксида магния повышается агрессивность расплава стекломассы по отношению к материалам варочных сосудов. Все это затрудняет получение качественного стекла в существующих стекловаренных печах. Кроме того присутствие кристобалита в качестве сопутствующей кристаллической фазы вызывает опасность растрескивания заготовок в процессе термообработки из-за значительной разности ТКЛР у кордиерита (основная кристаллическая фаза) и кристобалита. Высокие показатели свойств достигаются путем введения дополнительных технологических операций - химической обработки в растворах щелочи и кислоты.
Целью изобретения является уменьшение термического коэффициента линейного расширения, термостабилизация диэлектрической проницаемости в области рабочих температур и снижение температуры варки стекла.
2
2
3
2
2
3
2
Это достигается тем, что стеклокристаллический материал, включающий SiО, АlО, MgO, TiO, AsО дополнительно содержит ZnO, СеО и фторопол в следующем соотношении, мас.%:
2
SiО - 43,8-52,5;
2
3
АlО - 24,6- 30,2;
MgO - 9,3-11,9;
2
TiO - 8,8-12,9;
2
3
AsО - 0,1-1,9;
ZnO - 0-1,5;
2
СеО - 0-2,5;
Фторопол - 0,1-7,5
Авторы установили, что сочетание компонентов в заявляемом количественном соотношении позволяет получить стеклокристаллический материал с низким значением ТКЛР, добиться термостабилизации диэлектрической проницаемости вплоть до 1200°С и снизить температуру варки до (1550±10)°С. Кроме того, уменьшение концентрации оксида магния снижает агрессивность расплава стекломассы по отношению к огнеупору, что позволяет получать качественную стекломассу в существующих стекловаренных печах.
В таблице 1 приведены примеры конкретного выполнения составов стеклокристаллического материала, мас.%.
Таблица 1
Наименование компонента
Номер стекла
1
2
3
4
5
SiО<sub>2</sub>
43,8
47,5
51,5
49,7
47,7
Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
29,8
27,9
25,3
24,6
28,0
MgO
11,8
9,7
9,5
10,5
9,4
TiO<sub>2</sub>
12,7
11,9
11,0
8,8
11,0
As<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
1,8
0,5
0,2
0,1
0,4
ZnO
-
-
1,4
-
1,0
СеО<sub>2</sub>
-
2,4
1,0
-
-
Фторопол
0,1
0,1
0,1
6,3
2,5
Сочетание приведенного состава и выбранного режима термообработки с максимальной температурой кристаллизации (1270-1320)°С позволило снизить температурный коэффициент линейного расширения. В качестве основных кристаллических фаз в полученном стеклокристаллическом материале присутствуют кордиерит и рутил, что способствует стабилизации диэлектрических свойств.
В таблице 2 приведены свойства синтезированных стеклокристаллических материалов.
Таблица 2
№ п/п
Наименование свойств
Един. измер.
Номера стекол
1
2
3
4
5
Прототип
1
ε при частоте 10<sup>10</sup> гц
при: 20°С
7,62
7,12
6,52
6,29
7,53
6
700°С
7,65
7,18
6,55
6,32
7,59
1200°С
7,67
7,19
6,59
6,35
7,60
Δε
%
0,66
0,98
1,07
0,95
0,92
2
tgδ при частоте 10<sup>10</sup> гц
при: 20°С
tgδ·10<sup>4</sup>
19
13
9
13
13
3,5
700°С
55
195
179
246
251
1200°С
211
390
368
470
370
3
ТКЛР(20-300)°С
α·10<sup>7</sup>,
15
9
26
12
12
30-44,4
(20-900)°С
К<sup>-1</sup>
25
20
30
26
20
4
Температура варки
°С
1550
1550
1540
1530
1540
1600
5
Температура крист.
°С
1320
1260
1270
1230
1230
1000-1300
6
Кристаллические фазы
Корд. Рутил Сил.
Корд. Рутил Сил.
Корд. Рутил
Корд. Рутил Сил.
Корд. Рутил
Кордиерит Рутил кристобалит алюмотитанат Mg
Примечание. Корд. - кордиерит; Сил. - силлиманит.
Из приведенных данных видно, что предлагаемый состав стеклокристаллического материала позволяет снизить температуру варки до 1550±10°С, уменьшить температурный коэффициент линейного расширения в рабочем диапазоне температур и стабилизировать диэлектрическую проницаемость до температуры 1200°С. Все приведенные составы соответствуют цели изобретения.
Используемая литература:
1. З.Стрнад «Стеклокристаллические материалы», М. «Стройиздат», 1988, стр.108, 197-198).
2. Патент США №4304603 от 8 декабря 1981 г.