Ситалл в ювелирном деле и промышленности

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:

• сапфир – широкая палитра оттенков;
• изумруд – цвет от желто-зеленого до сине-зеленого;
• топаз – широкая цветовая гамма;
• гранат – зеленые, темно-красные;
• цитрин – желтые оттенки;
• шпинель – разнообразная гамма цвета;
• хризолит – основной оттенок зеленый;
• дымчатый и розовый кварц;
• бирюза – голубой.

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:

1. Аметрин – камень поразительной красоты, с удивительным распределением сиреневого и желтого оттенков. Ювелиры выполняют огранку, подчеркивающую игру цвета. Чаще всего ограненные камни имеют прямоугольную форму. Добыча осуществляется в Боливии и Бразилии. Необычная окраска и редкость – причина высокой цены аметрина. Производство нанокристаллов решило проблему приобретения ювелирных изделий с этим минералом. Процесс кристаллизации позволяет получать зонированную окраску камней. Цена изделия значительно ниже аналога с натуральными вставками.
2. Турмалин параиба – чтобы понять красоту минерала, его надо увидеть своими глазами. В его состав входит медь и марганец, встречаются включения золота, дающие камню синий цвет с неоновым свечением. Самые дорогие минералы добывают в Бразилии. Стоимость натурального камня достигает заоблачных высот. Ситалл–параиба решает проблему приобретения элитарных украшений, экономя средства приобретателя.

3. Изумруд – драгоценный камень первого порядка, разновидность берилла. Ценители ювелирных украшений хорошо знакомы с классификацией качества камней.

   Лучшие изумруды добывают в Колумбии. Бездефектные, чистые природные минералы редко встречаются. Ситалл прекрасно имитирует лучшие показатели натурального изумруда, идеально его заменяет, не опустошая кошелек покупателя.

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:

• малая плотность (малый вес);
• высокая механическая прочность;
• твердость 6,50 – 7,50 единиц по шкале Мооса;
• жаропрочность;
• термостойкость до 1000 °C;
• устойчивость к химическому воздействию.

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.