Рис. 1.4.9. Схематичное представление структуры стекла из смеси оксидов в двухмерном пространстве: (а) расположение атомов, (Ь) расположение кислорода в виде треугольников
При плавлении оксида кремния и его быстром охлаждении, кристаллическая структура не способна образоваться за такое короткое время, поэтому оксид кремния превращается в стекло, которое называют плавленым кварцем (Рис. 1.4.8).
Высокая температура плавления этого материала, равная 1713°С, делает его весьма дорогостоящим для массового использования. Если оксид кремния смешать с некоторыми оксидами металлов, то это позволит существенно понизить температуру его плавления.
Например, если взять композицию, состоящую из трех четвертей оксида кремния и одной части оксида натрия, то температура ее плавления составит всего 1339°С. Такие стекла называются смешанными оксидными стеклами, а их структура представлена на Рис. 1.4.9. Атомы металла образуют положительно заряженные ионы, которые разрушают порядок строения кислородных тетраэдров, и в результате не все атомы кислорода будут делиться своими электронами с соседними атомами. В этой композиции оксид кремния будет играть роль стеклообразующего компонента, а оксид металла — роль стекломодификатора.
Оксиды титана, цинка, свинца и алюминия также могут принимать участие в образовании пространственной сетчатой структуры стекла, и образовывать жесткие сетки. Сода (Na
2
0) и известь (СаО) обладают низкой вязкостью расплава, вследствие чего при температуре стеклования происходит интенсивное разрушение структуры. Это приводит к образованию стекла. Борный ангидрид (В
2
0
3
) также может играть роль стеклообразующего компонента в широко известных боратных стеклах.
Хотя стекла можно изготавливать из смесей кристаллического оксида кремния и металлических оксидов, такой подход к изготовлению стекла будет очень дорогостоящим. Намного дешевле обойдется использование природных минералов с требуемой стекловидной структурой, поскольку уже сама природа провела процесс витрификации.
Когда-то производители применяли только природные полевошпатные минералы, и затем добавляли в их состав оксиды других металлов для того, чтобы изготовить керамические наполнители и стоматологические фарфоры с заданными свойствами. В наше время многие стекла изготовляются методом синтеза, что позволяет улучшить контроль за составом и свойствами материала.
Девитрификация.
При производстве стекол в их составе может появляться незначительное число кристаллов, однако скорость их роста очень мала.
Когда стекло начинает кристаллизоваться, такой процесс называется девитрификацией. Девитрификация может начаться, если стекло выдерживают при повышенной температуре в течение длительного времени, что приводит к перестройке расположения молекул. Стекло становится полупрозрачным в результате рассеяния света поверхностями небольших кристаллов. Этот процесс является основой изготовления стеклокерамических материалов (см. главу 3.4).
Процесс нагревания материала, позволяющий молекулам или атомам перераспределяться в пространстве, называется обжигом и играет важную роль в технологиях изготовления многих материалов.
Клиническое значение.
Керамика отличается высокой стабильностью в биологической среде, и, следовательно, ее можно отнести к материалам, обладающим наибольшей биосовместимостью по сравнению со всеми известными сегодня материалами.