Камень ситалл в ювелирных изделиях. Ситалл (камень): что это такое, свойства и применение

План лекции

СИТАЛЛЫ, КЕРАМИКА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

ЛЕКЦИЯ 2.6

1. Ситаллы и их применение..

2. Общие сведения о керамических материалах.

3. Особенности технологического цикла при получении керамик.

4. Классификация и свойства керамических материалов.

Литература

Ситаллы - стеклокристаллические материалы, получаемые путем почти полной стимулированной кристаллизации стекол специального состава. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. Само название ситалл происходит от слов силикат и кристалл; в названии подчеркивается тот факт, что одни из первых стеклокристаллических материалов были получены на основе закристаллизованных силикатных стекол. За рубежом ситаллы называют пирокерамами от греческих слов «пирос» - огонь и «керамикос» - глиняный. Первая часть названия связана с тем, что стеклокристаллические материалы за рубежом были получены вначале на основе cтекол, содержавших окислы лития, светившиеся при высоких температурах огненным светом, а вторая – с тем, что стеклокристаллические материалы иногда не совсем правильно называли стеклокерамикой. Недостатком стекол считает­ся процесс местной кристаллизации - расстекловывание, приводящее к появлению неоднородности и ухудшению свойств стеклянных изде­лий. Если в состав стекол, склонных к кристаллизации, ввести одну или несколько добавок веществ, дающих зародыши кристаллизации, то удается стимулировать процесс кристаллизации стекла по всему объему изделия и получить материал с однородной микрокристалли­ческой структурой.

Технология получения ситалла состоит из нескольких опера­ций. Сначала изготовляют изделие из стекломассы и подвергают его двухступенчатой термической обработке при температурах 500-700 и 900-1100°С. На первой ступени происходит образо­вание зародышей кристаллизации, а на второй - развитие кри­сталлических фаз. Содержание кристаллических фаз к оконча­нию процесса достигает 95%, а размеры кристаллов лежат в пре­делах от 0,01 до 1 мкм.

Кристаллизация стекла может быть обусловлена фотохимическими и каталитическими процессами. В первом случае центрами кристалли­зации служат мельчайшие частицы металлов (серебра, золота, меди, алюминия и др.), выделяющиеся из соответствующих окислов, входя­щих в состав стекла, под влиянием облучения с последующей термооб­работкой для проявления изображения. Для инициирования фото­химической реакции обычно используют ультрафиолетовое излучение. При термообработке происходит образование и рост кристаллитов вокруг металлических частиц. Одновременно при проявлении материал приобретает определенную окраску. Стеклокристаллические материа­лы, получаемые таким способом, называют фотоситаллами. Если облучать не всю поверхность изделия, а лишь определенные участки, то можно вызвать локальную кристаллизацию в заданном объеме.

Закристаллизованные участки значи­тельно легче растворяются в плави­ковой кислоте, нежели примыкающие к ним стеклообразные области. Это позволяет травлением получать в изделиях отверстия, выемки и т. п.

Технология изготовления ситаллoв упрощается, если в качестве катализаторов кристаллизации ис­пользовать соединения, ограниченно растворимые в стекломассе или легко кристаллизующиеся из расплава. К числу таких соединений относятся ТiO 2 , FeS, В 2 О 3 , Сг 2 О 2 , V 2 O 5 , фториды и фосфаты щелочных и щелочно-земельных металлов. При каталитической кристаллизации необходимость в предварительном облучении отпадает. Получаемые при этом стеклокристаллические материалы называют термоситаллами.

Ситаллы - плотные материалы от белого до коричневого цве­та, отличающиеся повышенной механической прочностью и хими­ческой стойкостью, а также сочетающие высокие диэлектрические и температурные свойства, что позволяет применять их для мно­гих приборов электронной техники, работающих в широком диапа­зоне частот.

В отличии от обычных стекол, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значение имеет структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свойство ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует вязкая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.
Плотность ситаллов лежит в пределах 2400-2950 кг/м3, прочность при изгибе – 70-350 МПа, временное сопротивление – 112-161 МПа, сопротивление сжатию – 7000-2000 МПа. Модуль упругости 84 – 141Гпа. Прочность ситаллов зависит от температуры. Твердость их близка к твердости закаленной стали (V - 7000-10500 МПа). Они весьма износостойки (fтр = 0,07-0,19). Коэффициент линейного расширения лежит в пределах (7– 300) 10-7 с-1 . По теплопроводности ситаллы в результате повышенной плотности превосходят стекла. Термостойкость высокая D t = 50 -9000С. Применение ситаллов определяется их свойствами.

В обозначении марки ситалла после буквы СТ указывается значение a и серия разработки. Например, ситалл СТ-50-1 имеет температурный коэффициент линейного расширения a, равный 50·10 -7 1/°К. Плотность 2,3-2,8 г/см 3 .

Ниже приводятся типичные характеристики наиболее широко распространенных ситаллов.

Водопоглощение 0,01%

Температурный коэффициент линейного расширения (12-120)×10 -7 К -1

Удельная теплопроводность 0,8-2,5 Вт/(м×К)

Удельное объемное сопротивление 10 8 -10 12 Ом×м.

tgd (f=10 6 Гц) (10-800)×10 -4 .

Многие ситаллы химически стойки к плавиковой (HF) кислоте и щелочам. Стоимость ситаллов не высока.

По техническому назначению ситаллы делят на установочные и конденсаторные.

Установочные ситаллы используются в качестве подложек гибридных интегральных микросхем и пассивных дискретных элементов (например, в тонкопленочных резисторах).

Достоинство ситалловых конденсаторов является повышенная электрическая прочность по сравнению с керамическими конденсаторами.

Яркие, натуральные камни с древних времен и до наших дней являются предметом роскоши, которая доступна лишь узкому кругу избранных. А ведь желание обладать прекрасным присуще всем, без исключения. Большой спрос на красоту и отсутствие возможности его удовлетворить за счет природных минералов, привело к возникновению необходимости получать аналоги драгоценных камней искусственным путем. В современном мире существует несколько наиболее распространенных методик производства синтетических образцов для ювелирных изделий, одной из них является нанокристалл ситалл.

Ситалл

Можно с уверенностью утверждать, что в разработке технологий создания кристаллов русские ученые находятся на передовом рубеже. Последнее достижение в этой отрасли — технология получения нанокристалла ситалл. Название образовано от двух слов: силициум Si (кремний) и алюминий Al. По своей сути это высокотемпературное алюмосиликатное стекло. Природным аналогом можно назвать обсидиан – вулканическая порода.

По сравнению с другим изобретением русских ученых фианитом, ситалл имеет ряд преимуществ. Бесцветный, прозрачный камень является практически идеальной имитацией бриллианта, однако получить фианиты по характеристикам близкие к изумрудам или сапфирам достаточно сложно. В свою очередь ситалл, имитация изумруда, по своим параметрам очень близок к натуральным кристаллам.

Преимущества

Доступная стоимость, при практически аналогичных характеристиках с такими натуральными камнями, как изумруд, сапфир, голубой топаз, делает новый нано кристалл очень востребованным на рынке ювелирных изделий. Камень обладает уникальным ровным цветом и прозрачностью.

По аналогии с названием цвета голубого топаза London blue , их искусственная имитация получила имя ситалл Лондон .

Ситалл параиба — коммерческое название имитации редких голубых кристаллов турмалина.

С точки зрения технологичности, при производстве ювелирных украшений, ситалл имеет еще одно очень важное преимущество — он устойчив к термоудару.

В последние годы широкое применение в ювелирном производстве получила технология отливки изделий с камнями. При использовании этого процесса, жидкий металл разогретый свыше 1000 градусов заливается в форму с камнями. Цветные фианиты, особенно крупные, не могут выдержать резкий перепад температур и либо разрушаются, либо теряют свой цвет. Ситаллы же достойно выдерживают такие перегрузки без ущерба качеству, что дает возможность существенно сократить производственные затраты, исключив оплату труда по закрепке камней.

Синтетически вставки в ювелирных украшениях последние десятилетия были представлены исключительно . Появление новых нано кристаллов дало возможность конкуренции в данной отрасли. А, как известно, конкуренция — двигатель прогресса.

Бесспорные преимущества новинки по сравнению с другими имитациями, предопределяет очень широкое использование таких кристаллов при изготовлении ювелирных изделий. Новизна и красота привлекают большое количество желающих приобрести недорогие, но изысканные украшения. Можно с уверенностью предположить, что в недалеком будущем слово «ситалл» все чаще будет звучать в ювелирных магазинах.

Каждая женщина хочет иметь изделия из драгоценных камней, однако не все могут позволить себе такую роскошь. Поэтому учёные вывели искусственные камни из натуральных материалов. Они дешевле, но не менее красивы. К числу таких камней можно отнести ситаллы. Такие камни добываются в процессе объёмной кристаллизации стёкол.

История возникновения камня

Если речь идёт об искусственных камнях, то большинство людей знает об фиантах, но мало кто знает о ситаллах. Этот драгоценный камень является стеклокристаллическим материалом.

Первые пробы нанесения аморфного стекла кристаллами проводились ещё 1739 году. Этим занимался академик Рене Реомюр. Главной его целью было жаростойкое стекло, но в результате он получил материал, который был очень похож на фарфор.

Технология создания ситалла была разработана в 1957 году. Её автором стал американский учёный Дональд Стуккей. В Советском Союзе над такими кристаллами работал такой учёный, как Исаак Китайгородский. Само слово ситалл было составлено из слов «кристалл» и «стекло».

Характеристика основных свойств

Ситалл напоминает сапфир или изумруд. Он также изготавливается из стекла, но эти искусственные камни имеют некие различия между собой. Чтобы создать такой кристалл, использовалась формула SiO2, которая очень похожа на формулу горного хрусталя.

Свойства камня ситалл напрямую зависят от того, как он сложен. За счёт того, что он состоит из большого количества маленьких кристаллов, по плотности его можно сравнить со сталью. Твёрдость такого материала меньше, чем у бриллианта, но больше, чем у других искусственных камней.

Существуют также типы камней, что обладают специальными свойствами. Это такие свойства, как:

• полупроводниковость;
• прозрачность;
• радиопрозрачность;
• магнитность.

Исскуственный кристалл нормально реагирует на тепло, поэтому в домашних условиях его расплавить невозможно. Такая стойкость объясняется тем, что в состав входит комплекс из минерального сырья и алюминия.

Ситалл хорошо противостоит разным химическим реакциям. Он красиво переливается и является практически прозрачным.

Разновидности ситалла

Всего существует несколько видов такого материала. К числу самых распространённых можно отнести следующие:

Чаще всего в ювелирном деле используется аметрин . Его особенность заключается не только в уникальных характеристиках, но и в зональном окрасе. Среди преимуществ такого материала нужно выделить невысокую цену. Украшения с таким камнем являются хорошим аналогом изделиям с драгоценными камнями. Аметрин является прозрачным и в нём нет разных включений. Цветовой спектр довольно широкий, поэтому его можно использовать в самых разных целях. Кристаллы изготавливаются самых разных размеров и имеют много типов огранок.

Сферы применения искусственных кристаллов

Ситалл широко используют в самых разных сферах, начиная от авиастроения и заканчивая стоматологией. Самые прочные виды такого материала используются в:

В качестве прозрачного стекла материал, который обладает термостойкостью и радиопрозрачностью, используется при производстве лазерной техники и астрооптики.

Из-за своей износо и химической стойкости отдельные виды искусственного кристалла могут использоваться в текстильной и химической промышленности, а также в машиностроении и горнодобывающем деле. Фотоситаллы чаще применяются в микроэлектронике, полиграфии, а также оптике.

Следует обратить внимание на то, что ситалл широко применяется в стоматологии. Он используется в процессе лечения патологий твёрдых тканей зубов. Было проведено множество исследований, которые доказали, что этот материал является незаменимым в протезировании.

Ситаллы отличаются своей механической износостойкостью и химической прочностью . По характеристике такой материал является биологически совместим с человеком, поэтому он больше подходит для протезирования зубов, чем фарфор, который применялся раньше.

За счёт изотропной и мелкокристаллической структуры на материале не формируются трещины, а это важно для проведения качественного протезирования. Различие структур керамики и искусственных кристаллов можно объяснить разными методами получения материалов.

Следует отметить, что ситалл - универсальный стеклокристаллический материал, который имеет широкий спектр применения начиная от стоматологии и ювелирного дела и заканчивая ракетостроением.

Изделия, инкрустированные камнями, остаются фаворитами среди ювелирных украшений. Драгоценные и полудрагоценные вставки дороги. Для снижения стоимости, замены редких или исчезнувших кристаллов ювелиры используют синтетические или искусственно выращенные камни, в том числе, нанокристаллы:

• гидротермальные;
• синтезированные;
• ситаллы.

Ювелирный камень ситалл

Аналоги натуральных камней идеально имитируют свойства драгоценных и полудрагоценных вставок в ювелирных изделиях. Не профессионалу сложно отличить искусственное изделие от натурального самоцвета.

Разработка, освоение производства нанокристаллов проходило в научно-исследовательском институте Москвы с участием российской ювелирной компании ГК «Формика», под руководством кандидата геолого-минералогических наук К.Авакяна. В основу были взяты свойства обсидиана – вулканической породы, в состав которой входит алюмосиликатное стекло и зародышевые кристаллы мельчайших размеров.

Искусственный минерал – ситалл камень. Что это (происхождение вещества), позволит определить технология изготовления нанокристаллов. Производство основано на получении многокомпонентного высокотемпературного состава на базе двух оксидов: SiO2 и Al2O3, являющихся основными компонентами многих драгоценных и полудрагоценных камней.

Технология производства аналогична процессу получения технических ситаллов. Цветовая гамма, прозрачность и прочие свойства достигаются методом подбора металлических добавок, для достижения необходимых характеристик.

Были разработаны технологии изготовления камней различной прозрачности:

• непрозрачные;
• полупрозрачные;
• прозрачные.

Налажено изготовление камней ситалл высокого качества, по цвету, показателю преломления, плотности неотличимых от природных драгоценных и полудрагоценных камней:

Специфика изготовления позволяет получать камни с зональной окраской (сиреневый-желтый), такие, как аметрины. Наноситаллы обладают рядом преимуществ:

1. Невысокая цена, – позволяет выбрать украшение с аналогами драгоценных камней.
2. Высокая прозрачность.
3. Отсутствие включений.
4. Широкая цветовая гамма, – расширяет возможности дизайна изделия, кристаллы по цвету максимально приближены к идеальным показателям.
5. Изготовление кристаллов различных размеров.
6. Хорошо полируются и обрабатываются – возможность выполнять весь спектр огранок.

Широкое применение при изготовлении украшений по технологии «литье с камнем» (требует температурной устойчивости). Суть процесса изготовления – камни устанавливаются не в изделие, а в восковую модель, которая заключена в литьевую форму. Легкоплавкий материал вытапливают.

Далее, в образовавшуюся пустоту заливают металл с высокой температурой. После остывания, остается только закрепить вставки. Применение ситаллов решило проблему деформации камней под воздействием температурных напряжений.

Для сравнения приведены основные средние показатели ювелирных ситаллов (С) и их натуральных аналогов (А): аналог/ситалл (А/С).

Шедевры технологии изготовления нанокристаллов:

История создания, производство технических ситаллов

В 1739 году химик Реомюр Р. в результате опытов с кристаллизацией стекла получил поликристаллический фарфор, выдерживающий высокие температурные нагрузки. Он не смог повторить свой опыт, но факт получения материала был зафиксирован историей и позднее назван ситаллом. Лишь в XX веке ученые возродили идею создания стеклокерамики с удивительными физическими свойствами.

Наименование «ситалл» образовано из двух слов: «стекло» и «кристалл». В употребление введено профессором МХТИ Китайгородским И.И., разработавшим процесс получения стеклокристаллического материала. До сих пор идут споры о праве считаться автором изобретения.

Ученый Дональд Стукей из Нью-Йорка, давший материалу название «пирокерам», утверждает, что опередил всех в 1957 году. Предприятие «Формика» получило патент по изготовлению цветных ситаллов (нанокристаллов) в 90-е годы. В наши дни изучение и разработка стеклокристаллического вещества с улучшенными характеристиками продолжается.

Способы производства ситаллов в промышленности определяют основу изготовления ювелирных нанокристаллов. Производство состоит из следующих этапов:

1. Получают изделия из полиморфного стекла с различным химическим составом, добавлением ускорителей и нуклеаторов, ускоряющих кристаллизацию и изменяющих ее характеристики.
2. Первая ступень – тепловая обработка при 500–700°С. Образовываются центры кристаллизации.
3. Следующая ступень – нагрев до 900–1100°С. Развивается кристаллическая фаза.

Изменения характеристик ситаллов достигается варьированием:

• разновидности стекла;
• катализаторов;
• режимами температурной обработки (внутренняя структура кристаллов изменяется);
• применением различных видов облучения.

Методы получения стекла:

• вытягивание;
• выдувание;
• прокатка;
• прессование.

Ускорители кристаллизации:

• группа цветных и редкоземельных металлов;
• окислы и производные солей различных металлов;
• фториды;
• сера, сульфаты, кокс;
• сульфиды.

Ситаллы иногда называют стеклокерамикой. Кристаллическая решетка – среднее между стеклом и керамикой. Структура ситаллов обладает следующими свойствами:

Технология производства материала, управляемость процесса позволяет наделять их дополнительными характеристиками:

• прозрачность;
• радиопрозрачность;
• обладание собственным магнитным полем;
• полупроводники.

Применения стеклокерамики

Применение ситаллов в различных отраслях обусловлено его свойствами и возможностью наделять его разнообразными свойствами.

Ситаллы повышенной прочности:

• авиастроение;
• ракетостроение;
• радиоэлектроника.

Также камни наши свое применение:

1. Прозрачный стекломатериал (термостойкость и радиопрозрачность) – астрооптика, лазерная техника.
2. Износо-, химически стойкие – текстильная, химическая, автомобильная промышленность, горнодобывающее машиностроение.
3. Фотоситаллы – в микроэлектронике, оптике, полиграфии.
4. Слюдоситаллы – в машиностроении.

Плотность оптического стекла, устойчивость к воздействию химии и высоких температур, механическая прочность позволяют производить различную оптику. Изделия находят применение на земле и в космическом пространстве. На земном шаре две компании обладают такими технологиями и производством. Но только в России находится производство полного цикла.

На российском заводе оптического стекла производят оптику для телескопов. Заказы на изготовление составляют третью часть рынка оптики. На заводе могут изготовить заготовки для зеркал около 6,0 метров в диаметре. БТА (Большой азимутальный телескоп), установленный в обсерватории около станицы Зеленчукской, имеет подобный размер главного отражателя.

Продукция завода установлена:

• на телескопах проекта Фолкес;
• в Китае на спектроскопе, наблюдающим за обширными районами космоса;
• в Европейской южной обсерватории;
• на телескопах Италии, Индии.

В состав главного зеркала Большого
Южно-
Африканского телескопа входит 91 ситалловый элемент российского производства. Продукция ОАО «ЛЗОС» Ситалл СО115М – материал сверхнизкого теплового расширения, что обусловило его применение для изготовления астрономических зеркал с высокими показателями степени точности.

Это далеко не весь спектр применения стеклокристаллических материалов. Наука не стоит на месте.

Разрабатываются новые технологии. Возможно, в ближайшем будущем, ученые порадуют новыми открытиями, расширят области применения стеклокерамики.

Время высоких технологий и невероятных научных достижений мало кого оставляет раздосадованным, даря миру уникальные гаджеты и революционные новинки электроники. Однако, когда дело касается ювелирных украшений, то взглянуть под совершенно иным углом на привычные вещи людям бывает непросто. Давайте вместе развеем иллюзии относительно самой провокационной вставки современности — наноситала .

Вставки нового поколения

Наноситал, или ситалл, — это уникальный материал, состоящий из главных компонентов натуральных ювелирных камней — SiO2 и Al2O3, с той лишь разницей, что синтезирован он в лабораторных условиях. Таким образом учёные творят настоящие чудеса, складывая своими руками различные комбинации из этих оксидов! Получается своеобразный ювелирный «пазл», повторяющий натуральные минералы по всем химико-физическим параметрам.

По своим свойствам ситалл наиболее близок к природному топазу. Кристальная прозрачность и широкий спектр возможных цветов дают беспрецедентную возможность воссоздавать практически все цветные полудрагоценные и даже драгоценные камни.

Отдельно стоит отметить оптические показатели ситалла. В отличие от других неприродных вставок, блеск и цвет ситалла безупречен даже в крупных образцах.

Лучший из лучших

Если вы действительно хорошо разбираетесь в ювелирных камнях, вы никогда не позволите себе назвать ситалл «стекляшкой». В отличие от стекла ситалл обладает исключительными свойствами:

Непревзойдённый блеск и чистота, тогда как стекло со временем теряет свой первоначальный вид, перестаёт преломлять солнечные лучи, становится мутным, затёртым и крайне неэстетичным.

Широкая палитра цветов.

Высокая твёрдость, плотность и износостойкость, в то время как стекло имеет крайне низкую твёрдость по шкале Мооса. При частой носке стекла это выливается в деформацию огранки: округление углов, царапины и снижение оптических свойств.

Приемлемая цена.

Ситалл объединяет в себе всё лучшее, что есть в натуральных вставках и нивелирует минусы некачественных аналогов природных камней.

В тренде

Что же касается вопроса стиля, то и здесь ситалл остаётся на высоте.

Благодаря огромному спектру возможных цветов, эти камни очень легко подобрать абсолютно к любой одежде — от незатейливых повседневных нарядов до самых торжественных. Также ситаллы можно смело надевать и в офис. Например, идеально подойдут такие оттенки, которые повторяют тона непрозрачных камней, таких как кахолонг, розовый кварц, опал, агат, бирюза и другие.