Технология получения ситалла. Ситалл (камень): что это такое, свойства и применение

Тема нашей сегодняшней статьи — камень ситалл: что это за чудо и какими свойствами он обладает. Труды профессора Исаака Китайгородского не пропали даром. Ученый придумал способ получения кристаллов с уникальными качествами, благодаря чему материал успешно применяют для изготовления прочных и термостойких деталей. Ситалл нашел собственное почетное место и в ювелирном деле. А ведь процесс получения ценного камня напоминает получение стеклокерамики.

История появления

Имя камня появилось путем сложения первых слогов от названий, обозначающих алюминий и сицилиум (или кремний). И это неслучайно, ведь они входят в состав кристалла, который похож на вулканические породы. В СССР разработкой технологии получения ситалла занимались многие ученые, но успеха добился только Исаак Китайгородский.

Однако еще до него американский ученый Дональд Стукей сделал подобное открытие, но назвал кристалл по-другому. Полученный стеклокристаллический камень назвали пирокерам. Выпуском занялась компания «Дау Корнинг».

По физическим свойствам ситалл близок к натуральному топазу. Но, благодаря широкому цветовому диапазону часто может имитировать многие драгоценные и полудрагоценные камни. Учитывая происхождения кристалла, иногда его называют наноситалл. Однако говорить о том, что это минерал, нельзя, так как в его создании не участвовала природа.

Свойства и процесс образования кристаллов

В основу принципа создания ситаллов легла объемная кристаллизация стекла. Среди физических свойств отметим:

• малая плотность (близка к 2,7, как у алюминия);
• высокая прочность сжатия;
• химически устойчив;
• твердость по Моосу – 6,5-7 единиц;
• способен работать под напряжением при высоких температурах;
• термостойкость 1000 градусов;
• пороговая величина прочности – 250 Мпа.

Среди разновидностей ситаллов выделяют магнитные, то есть обладающие магнитным полем, и полупроводниковые, у которых проводимость увеличивается с ростом температуры. Также бывают прозрачные и радиопрозрачные материалы. Исходник для создания кристаллов – шихта, само действие напоминает производство стеклокерамики.

В шихту входят катализаторы для ускорения реакции. С их помощью возможна регулировка фаз. В начале плавления кристаллы появляются в центре, постепенно вокруг них разрастаются агрегаты. Затем наступает охлаждение. Для получения разных видов ситалла используют добавки фоточувствительных элементов и шлаков. В итоге становится возможным получение литиевых, титановых, борно-бариевых, магниевых разновидностей.

Кремлевские звезды сделаны из ситалла

Современный прочный камень быстро нашел собственную нишу среди строительных и конструкционных материалов. Из него делают детали для ракет (обтекатели), стойкую по химическим параметрам аппаратуру, сверхзвуковые управляемые снаряды.

Из технического ситалла делают подложки для микросхем, различные шкалы, корпуса для приборов, то есть, изделия, требующие особой прочности и устойчивости к высоким температурам. Так, в Останкино на нижней смотровой площадке изготовленные из кристаллов проемы выдерживают вес сразу нескольких человек.

При работе с рубиновым стеклом для звезд московского Кремля использовали технологию по созданию ситалла. Применяют его и для производства линз и зеркал, им покрывают для защиты металлические детали. В стоматологии распространены зубные пломбы, в материал для них добавляют алюминий или литий.

Разновидности искусственного камня

Благодаря чистоте кристаллов, непревзойденному блеску, разнообразию цветов, высоким качественным характеристикам наноситалл нашел себя и в ювелирной сфере. Модницы оценили его свойства, красоту и отметили вполне бюджетную стоимость драгоценности.

Этот камень собрал в себя все лучшее от натуральных минералов, оставив «за кадром» все минусы. В ювелирных украшениях применяют искусственные самоцветы нескольких разновидностей. Например, ситалл-сапфир или ситалл-гранат. Вторая часть названия говорит о том, какой драгоценный камень в каждом конкретном случае представлен кристаллом-имитацией.

Известны и другие. Султанит-ситалл переливается зеленым, перламутровым, желтым, черным, оранжевым, коричневым. Такое же красивое сияние демонстрирует аметист-ситалл, но здесь уже синий, розовый, красный и фиолетовый цвета.

Аметрин-ситалл содержит в палитре два цвета – фиолетовый и золотистый. Такой камень встречается на рудниках Южной Америки. Найти среди природных минералов подобное чудо – большая удача. Он считается символом сердца индейской девушки, которая разделила любовь к своему народу и мужу-испанцу.

Вторая жизнь натуральных камней

Танзанит-ситалл внешне полностью повторяет внешний вид натурального зеленого или коричневого минерала.

Камень параиба получил вторую жизнь в виде турмалина-ситалла. Только ювелир способен заметить его искусственное происхождение. Яркий насыщенный сине-бирюзовый цвет кристалла в природе встречается редко. За необыкновенную игру света его называют неоновым

Ситалл с названием «Лондон» выглядит похожим на голубой топаз с серым оттенком. Этот искусственный камень великолепно смотрится в серебряных и золотых оправах. Цена на него колеблется в районе 3-4 тысяч рублей за экземпляр размеров 12х12 мм.

Цены на ситалл, имитирующий султанит, аметрин, танзанит или турмалин, вполне бюджетные. Вставка размером 10х10 мм стоит 2-3 тысячи рублей. А камень, внешне похожий бриллиант покупают за 2 тысячи.

Достоинства синтетики

У наноситалла отсутствуют лечебные и магические свойства, которые присущи природным камням. Но не стоит рассматривать этот факт, как недостаток, ведь далеко не для всех людей натуральные минералы несут положительную энергетику. То же самое относится и к знакам зодиака.

Под каким бы созвездием ни родился человек, он может носить украшения с синтетическими кристаллами. И в этом их неоспоримый плюс.

Несмотря на отсутствие магии, искусственные камни обладают рядом преимуществ. Лабораторные условия позволяют вырастить крупные экземпляры ситалловых разновидностей. Палитра цветов не ограничена, а игра света в гранях не уступает природным самоцветам. Кроме того, состав и прочность кристаллов стоит на должном уровне.

Ничто так искусно не дополняет женственный образ, как утонченный камень ситалл в ювелирных изделиях. Мир узнал о данном самоцвете еще во времена СССР, когда отечественный физик, лауреат многочисленных премий имени Иосифа Сталина - Исаак Ильич Китайгородский, в лабораторных условиях открыл объемную кристаллизацию стекла (образование в целостном стеклянном теле более мелких кристаллов, спровоцированное извне).

Ранние упоминания

Существует мнение, что получение первых образцов ситалла датируется 1739 годом. В те времена французский естествоиспытатель и академик - Рене Антуан Реомюр, активно осуществлял экспериментальную деятельность, с целью получения стекла, устойчивого к высоким температурам.

Результатом стараний академика стал минерал, по своим физическим и химическим свойствам напоминающий фарфор. При этом камень ситалл имел молочный оттенок и практически не пропускал свет, из-за множества мелких кристаллов, образовавшихся внутри цельного стеклянного тела. Реомюр посчитал свое творение бессмысленным, и ситалл затерялся во тьме веков, вплоть до 20 столетия.

Свойства

Как и любые другие минералы, ситаллы имеют свойства, которым присущи определенные физические и химические характеристики. К ним относятся:

• Низкая плотность камня - ее показатель колеблется от 3.2, до 3.4 грамм на см3.
• Значение абсолютного преломления света - от 1.65, до 1.7.
• Высокая химическая и термическая устойчивость.
• Твердость камня по Моосу: 6.5 - 7.5 единиц.
• Минимальная температура плавления составляет 1 000 °C.
• Предел прочности - 250 мПа.
• Высокая непроницаемость по отношению к различным газам и влаге.

Так же стоит отметить, что существуют ситаллы со специализированными свойствами. Среди них:

• Камни, обладающие собственным магнитным полем.
• Идеально прозрачные.
• Полупроводники.
• Радиопрозрачные диэлектрики.

Применение ситалла

Сегодня применение ситаллов широко распространено не только в ювелирном деле, но также в строительной и технической областях человеческой деятельности. Сюда входят следующие отрасли:

• Строение космических ракет, шаттлов, автомобильного и авиа транспорта.
• Производство радиоэлектроники, стеклянных труб и панелей.
• Изготовление оптики, в том числе астрономического назначения.
• Лазерные и космические технологии.
• Герметизация электровакуумных приборов.
• Солнечные батареи.
• Производство горнодобывающей техники.
• Текстильная, химическая и буровая промышленность.
• Размножение печатной продукции.
• Микроэлектроника.
• Область здравоохранения - изготовление протезов зубов и костей.
• Изготовление стеклянных эмалей, защищающих различные материалы от воздействия вредоносных факторов внешней среды.

Ювелирное дело

Несмотря на то, что ситалл был изобретен Исааком Китайгородским еще в довоенное время, в ювелирную индустрию он попал только в 70 годы прошлого столетия. Почему?, и что за камень тогда, этот первый ситалл Китайгородского?" спросите Вы. Ответ кроется в материалах, используемых для синтеза данных минералов, в роли которых выступали отходы металлургической промышленности. Такое сырьё придавало ситаллу весьма мрачные цвета, среди которых присутствовали следующие оттенки:

• Серый
• Зеленый
• Бурый

До 1970 года, камень использовался исключительно в качестве сырья для производства облицовочной плитки. Затем на смену невзрачным оттенкам пришли минералы с нежным молочным цветом. В ходе интенсивных разработок, ученые все больше стали задействовать различные пигменты. Благодаря этому, сегодня мы имеем ситаллы очень широкого цветового спектра.

Современная ювелирная промышленность, весьма активно задействует ситалл в качестве драгоценного камня, методом инкрустации изделий, изготовленных из драгоценных металлов. Что совсем неудивительно, ведь любой благородный металл засияет еще ярче в сочетании с подобным самоцветом.

Среди ювелирных украшений, инкрустированных ситаллом, часто встречаются следующие:

• Кольца и перстни
• Подвески
• Броши
• Браслеты
• Запонки
• Серьги
• Ожерелья

Камень Лондон

Одними из самых редчайших драгоценных камней природного происхождения, являются топазы окраса Лондон. Высокая стоимость данных самоцветов обусловлена их уникальностью и минимальным количеством месторождений. Тем не менее, спрос на эти минералы не прекращает увеличиваться в геометрической прогрессии.

Высокая популярность топазов данного окраса, спровоцировала ученых на создание камня Лондон ситалл. Его оптические характеристики практически идентичны свойствам природного топаза, а твердость и термическая устойчивость превращают камень ситалл в материал, идеально пригодный для ювелирной обработки.

При поверхностном сравнении, природный голубой топаз и ситалл Лондон почти невозможно различить, так как цвет, плотность, показатель преломления света и блеск граней камней, во многом схожи. А если добавить к столь весомым преимуществам доступную стоимость ситалла, и его способность идеально сочетаться со всеми известными благородными металлами, то вопрос выбора разрешиться сам собой.

Камень Параиба

Еще один представитель уникальных драгоценных минералов, созданных самой природой - турмалин Параиба. Был открыт специалистами при разработке месторождения пегматитов, в конце 20 века, на восточном плоскогорье Бразилии, в штате с одноименным названием. Вскоре учеными было установлено, что возраст данной разновидности турмалина, равен возрасту древних динозавров. Между тем цена самоцветов резко возросла, несмотря на явное несовершенство многих экземпляров.

Искусственным аналогом натурального турмалина является Ситалл Параиба, который сохранил все самые лучшие черты оригинала:

• Глубокий бирюзовый оттенок
• Уникальную игру света в гранях
• Яркий блеск
• Твердость камня
• Низкую плотность
• Характерную устойчивость к механическим повреждениям.

Так же стоит отметить, что ювелирный ситалл Параиба отлично сочетается с любым благородным металлом, а цвет этого камня остается ярким и глубоким даже при весьма слабом источнике света

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.

Стремление избавиться от главных недостатков стекла, повысить его устойчивость к механическим и термическим воздействиям привело к созданию за счет управляемой кристаллизации нового стеклокристаллического материала -- ситалла.

Ситаллы изготовляют на основе неорганических стекол путем их полной или частичной управляемой кристаллизации. Термин «ситаллы» образован из слов: стекло и кристаллы. По структуре и технологии получения ситаллы занимают промежуточное положение между обычным стеклом и" керамикой. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов -- более мелкозернистой и однородной микрокристаллической структурой. По многим параметрам ситалл превосходит стекло и композиции на основе стекла. Недостатком ситалла является меньшая химическая стойкость -- следствие неоднородной структуры и наличия оксидов щелочных металлов. Из-за рассеяния света на границах кристаллитов ситаллы в слое 0,35... 1 мм уже непрозрачны. От керамики ситаллы отличаются хорошей обрабатываемостью, отсутствием пористости, меньшей стоимостью. Ситаллы марок Ст32, Ст38, Ст50 (цифра обозначает значение ТКЛР) в виде полированных пластин толщиной 0,35... 1 мм размером 60Х Х48 мм являются основным материалом подложек тонкопленочных ГИС.

В процессе кристаллизации стекла наиболее существенно изменяются следующие его свойства:

• 1 Растет механическая прочность, особенно заметно при испытании на изгиб. Причина состоит в том, что поверхностные трещины, наталкиваясь на кристаллиты, не могут развиваться так интенсивно, как в стекле.
• 2 Повышается нагревостойкость и температура начала деформации, так как диапазон температур размягчение-плавление значительно сужается по сравнению со стеклами.
• 3 Появляется дополнительное средство регулирования свойств.

Термин «ситаллы» образован из слов: стекло и кристаллы. За рубежом их называют стеклокерамикой, пирокерамами. По структуре и технологии получения ситаллы занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов -- более мелкозернистой и однородной микрокристаллической структурой.

Получаются ситаллы путем плавления стекольной шихты специального состава с добавкой нуклеаторов (катализаторов), охлаждения расплава до В состав стекла, применяемого для получения ситаллов, входят окислы Li2O, Аl2О3, SiO2, MgO, CaO и др.; кроме того, добавляются катализаторы кристаллизации (нуклеаторы). К ним относятся соли светочувствительных металлов Au, Ag, Си или фтористые и фосфатные соединения, TiO2 и др. Нуклеаторы добавляют при плавлении стекольной шихты, далее расплав охлаждают до пластичного состояния, а затем формируют из него изделия методами стекольной технологии, после чего производится ситаллизация (кристаллизация).

В зависимости от способа получения ситаллы делятся на фотоситаллы и термоситаллы.

Фотоситаллы получают из стекол литиевой системы с нуклеаторами -- коллоидными красителями. В расплавленном стекле (Тпл = 1250 -- 1600° С), нуклеаторы находятся в виде ионов, выделяющихся из соответствующих окислов. Центрами кристаллизации являются мельчайшие частицы металлов. Для инициирования фотохимический реакции стекло облучают ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами. При термообработке происходит рост и образование кристаллов вокруг металлических частиц. Одновременно при проявлении (низкотемпературной обработке) материал приобретает определенную окраску.

Процесс кристаллизации происходит в две стадии: вначале при температурах, близких к Тc, происходит образование зародышей кристаллов, которые растут до определенных размеров и вызывают кристаллизацию других фаз в стекле. В результате образуется жесткий кристаллический каркас, препятствующий деформированию изделия и позволяющий вести дальнейший процесс при более высокой температуре (900--1100° С). На этой стадии изделия полностью и равномерно закристаллизовываются.

Термоситаллы получаются из стекол, систем MgO -- Al2O3 -- SiO2, CaO -- А12O3 -- SiO2 и других с добавкой TiO2, FeS и т. п. нуклеаторов. Стекломассу подвергают двух ступенчатой термообработке. На первой ступени обработки образуются и растут зародыши кристаллизации, создающие упрочняющий изделие каркас, при температуре равной 500 - 700 градусов Цельсия. На второй ступени при более высокой температуре (900 - 1100 градусов Цельсия) происходит окончательная кристаллизация стекла. Когда процесс ситаллизации закончен, детали охлаждают до комнатной температуры.

Структура ситаллов многофазная, состоит из зерен одной или нескольких кристаллических фаз, скрепленных между собой стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы колеблется от 30 до 95%. Размер оптимально развитых кристаллов обычно не превышает 1--2 мкм. По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными и прозрачными (количество стеклофазы до 40%).

Свойства ситаллов определяются структурой и фазовым составом. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свойства ситалла изотропны. В них совершенно отсутствует всякая пористость. Усадка при кристаллизации - до 2 %. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам. Стеклокристаллические материалы обладают высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам, не окисляются даже при высоких температурах. Они газонепроницаемы и обладают нулевым водопоглощением. Ситаллы относят к хрупким материалам, по твердости они приближаются к стали.

Свойства ситаллов

• 1 Плотность 2.3 - 2.8 Мг/ м3
• 2 Водопоглощение 0.01%
• 3 Температурный коэффициент

линейного расширения (12-120) ?10-7 1/град

• 4 Удельная теплопроводность 7,4 -- 16,9 ккал/(м?ч?град)
• 5 Температура текучести 750-1350° С.
• 6 Предел прочности при изгибе 50-260 МПа.
• 7 Электрическая прочность 25-75 МВ/м
• 8 Высокая термостойкость 500 - 900° С

Многие ситаллы обладают высокой химической стойкостью к действию сильных кислот и щелочей. Доступность сырья и невысокая технология получения обеспечивают невысокую стоимость изделия. По техническому назначению ситаллы можно подразделить на установочные и конденсаторные. Установочные ситаллы используют в качестве подножек ГИМ и дискретных пассивных элементов (н., тонкопленочных резисторов), деталей СВЧ- приборов и некоторых типов электронных ламп. Достоинством ситалловых конденсаторов являются повышенная электрическая прочность по сравнению с керамическими конденсаторами.

Современные гуру ювелирного дела просто не могут отказать себе в удовольствии использовать в украшениях камни, которые искусственно выращены специалистами минералогии. И причины этому весьма обоснованы. Во-первых, искусственные, или, правильнее сказать, синтезированные, камни по своим качествам полностью соответствуют натуральным. Во-вторых, подобный тип минералов позволяет экономить природные запасы драгоценностей. И в-третьих, синтезированные камни - это безумно красиво. Это процесс тонкой ювелирной работы, результатом которой является кристально чистый, облагороженный камень с насыщенным цветом и мерцающими бликами кристаллов внутри. Именно таким можно назвать ситалл, минерал, который заслуженно получил имя «камень 21 века».

Ситалл - что это, и как о нем узнал мир?

Ситалл - это ювелирный камень, который получают путем кристаллизации стекла. На первый взгляд, такое определение не вызывает симпатии к подобным украшениям, но, познакомившись ближе со свойствами ситалла, можно уверенно говорить про его качество, прочность и совершенную красоту. И сегодня, несмотря на то, что основа камня - стекло, в ювелирном деле он активно используется как аналог природной вставки. За счет управляемой поликристаллизации, то есть насыщения стекла множеством мелких кристалликов, камень приобретает внушительную твердость и неповторимый блеск.

Впервые стекло начали искусственно облагораживать в конце 18 века. Рене Реомюр, ученый Парижской и Петербуржской академий, в ходе лабораторных исследований пришел к выводу, что стекло можно подвергать различным жаростойким экспериментам. В результате Реомюр изобрел материал, который по своим внешним особенностям был очень похож на фарфор.

Но разработанное ученым стекло не получило должного применения ни в науке, ни в потребительской сфере. Только спустя 200 лет опыты по кристаллизации стекла возобновились в Америке. Благодаря американским специалистам мир стал применять подобные способы обработки «стекло-кристаллов».

Имя «ситалл» камень получил от советского ученого Исаака Китайгородского, который сложил две основы слов «стекло» и «кристалл». Такое незамысловатое название легко прижилось и полюбилось всему миру.

Почему ситалл так популярен?

Камень ситалл обладает рядом положительных характеристик:

• Благодаря термальной и другой лабораторной обработке ситалл приобретает небывалую прочность и твердость, за счет чего он даже конкурирует со сталью.
• Ситалл имеет отличные оптические качества, он может быть отличной альтернативой кварцевому стеклу, которое также славится безусловной прочностью.
• Камень безупречен в своей чистоте (прозрачности) и мерцании. Преломление солнечных лучей позволяет кристалликам переливаться разными оттенками, придавая украшению особый магический эффект.
• Помимо удивительной красоты и его физических качеств, большое преимущество ситалла - это сравнительно невысокая цена.

Цветовая палитра ситалла

С усовершенствованием ювелирной техники облагораживания камней каждому кристаллу можно придать абсолютно любую окраску. И если раньше все вставки получались невзрачных серых или бурых оттенков, то сегодня в магазинах драгоценностей можно встретить ситалл самой разнообразной палитры. Его цвет зависит от пигментов, добавленных в основу кристалла. За счет такого способа можно создать «аналогию» всех драгоценностей: рубина, сапфира, изумруда.