Введение к работе
Актуальность работы
Технология стекла еще в прошлом столетии была доведена практически до совершенства. Это позволяет использовать ее для создания принципиально новых технологичных материалов, приводя к удешевлению процессов производства.
В середине 20 века методом направленной кристаллизации стекломатериалов созданы перспективные стеклокристаллические материалы - ситаллы, продемонстрировавшие принципиально новые возможности применения по сравнению со стеклом. Метод направленной кристаллизации позволяет получать стеклокристаллические материалы с заданными характеристиками. В стекле возможно создание кристаллических структур заданного состава и в необходимом объеме. Стеклокерамика остается прозрачной, если кристаллиты в ней достаточно малы, а их показатели преломления близки к показателям преломления матрицы. Обладая фрагментами упорядоченной структуры, свойственной монокристаллам, такой материал совмещает в себе многие свойства монокристалла и стекла.
Системы Bi203-Si02 и Bi203-Ge02 по целому ряду причин представляют интерес для создания новых стеклокристаллических материалов.
Во-первых, в этих системах при определенных соотношениях компонентов достаточно легко образуются стекла, которые, благодаря своим уникальным свойствам, перспективны как лазерные и люминесцентные материалы, среды для создания ИК-окон, волоконных усилителей света и криогенных детекторов, материалы для спектроскопии комбинационного рассеивания и фотоники. Хорошая радиационная стойкость позволяет существенно расширить границы их применения, в частности, в качестве спинтилляционных материалов в технике высоких энергий.
Во-вторых, области стеклообразования в системах Bi203-Si02 и Bi203-Ge02 включают соотношения компонентов, соответствующие составам стабильных кристаллических фаз со структурой эвлитина, что допускает возможность создания стеклокристаллических материалов на основе этих фаз. Кристаллы эвлитинов (Bi4Si30i2 и Bi4Ge30i2), вследствие их высокой радиационной стойкости и хороших спинтилляционных характеристик, используют в высокоэнергетических радиационных опытах, а при легировании редкоземельными ионами - в качестве лазерных материалов. Помимо монокристаллов в качестве сцинтилляторов нашли применение и керамические материалы тех же составов.
Создание стеклокристаллического материала оптического качества на основе кристаллов эвлитина представляется актуальным, поскольку подобные материалы способны успешно совмещать в себе свойства как стекол, так и монокристаллов. Условиями получения таких материалов являются высокое качество исходных стекол и правильное определение их интервала кристаллизации, знание как природы физико-химических процессов, происходящих при кристаллизации, так и определение степени влияния на них технологических параметров. Только с учетом всех этих факторов возможен выбор оптимальных условий получения качественной стеклокерамики. Легирование исходных стекол неодимом позволит изучить его влияние на процесс кристаллизации стекол, а также определить возможность применения полученных стеклокристаллических материалов в качестве лазерных.
Цель работы
Предложить оптимальные условия получения качественных стекол с соотношениями компонентов (2Bi203-3Si02 и 2Bi203-3Ge02), совпадающими с составами силико- и германоэвлитинов, в том числе легированных неодимом, и прозрачной стеклокерамики на основе данных стекол; исследовать процессы, идущие при направленной кристаллизации стекол; сравнить основные физико-химические характеристики полученных стекол и стеклокристаллических материалов и монокристаллов силико- и германоэвлитинов.
Основные задачи работы:
Исследование технологических особенностей получения стекол заданных составов и влияния условий получения стекол на их физико-химические свойства.
Исследование условий кристаллизации стекол, изучение кристаллических фаз выделения и структурных изменений при термообработке и разработка способа получения прозрачных стеклокристаллических материалов, в том числе легированных ионами неодима.
Изучение ряда физико-химических, оптических и люминесцентных свойств полученных стекломатериалов.
Научная новизна работы
1. Предложена методика приготовления стекломатериалов составов 2Bi203-3Si02 и 2Bi203-3Ge02, позволяющая получать слабо окрашенные качественные стекла со значениями коэффициентов поглощения в видимой области
спектра (0,4-0,8 мкм), близкими к коэффициентам поглощения монокристаллов эвлитинов соответствующих составов.
Впервые получены стеклокристаллические материалы составов 2Ві20з-3Si02 и 2Bi203-3Ge02, а также (2-x)Bi203-3Si02-xNd203, где х=0,08 и 0,25 (1,6 и 5 мол. % Nd203, соответственно) и (2-x)Bi203-3Ge02-xNd203, где х=0,08 и 0,25 (1,6 и 5 мол. % Nd2C>3, соответственно).
Установлены закономерности изменения окраски стекол и стеклокристаллических материалов в зависимости от условий их получения и термообработки.
Проведен сравнительный анализ ряда свойств монокристаллов германо-и силикоэвлитинов, стекол составов 2Bi203-3Si02, 2Bi203-3Ge02, (2-x)Bi203-3Si02-xNd203, где x=0,08 и 0,25 (1,6 и 5 мол. % Nd203, соответственно) и (2-x)Bi203-3Ge02-xNd203, где х=0,08 и 0,25 (1,6 и 5 мол. % Nd203, соответственно), а также прозрачной стеклокерамики тех же составов.
Практическая ценность
Разработана воспроизводимая лабораторная методика получения стекол состава 2Bi203-3Si02 и 2Bi203-3Ge02 и стеклокристаллического материала на их основе. Показано, что полученные стеклокристаллические материалы по своим свойствам приближаются к монокристаллам эвлитина и могут конкурировать с монокристаллами германо- и силикоэвлитина в ряде применений, в частности, в качестве материалов для изготовления сцинтилляционных счетчиков у-излучения.
На защиту выносятся:
Установленные закономерности влияния условий получения стекол и стеклокристаллических материалов на их качество и глубину окраски.
Лабораторная технология получения стекол с оптическими характеристиками, близкими к характеристикам монокристаллов эвлитинов.
3. Лабораторная технология получения прозрачной стеклокерамики.
Апробация работы
По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, включенном в перечень ВАК.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ряде конференций: XXII международной конференции по химии и химической технологии «МКХТ-2008» в РХТУ им. Д.И. Менделеева в Москве в 2008 году; XII
международной молодежной научной конференции «Полярное сияние 2009. Ядерное будущее: технологии, безопасность и экология» в Санкт-Петербурге в 2009 году; Всероссийской молодежной научной школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» в 2008,
2009 и 2010 годах в г. Саранске; 2-й международной конференции/молодежной
школе-семинаре «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и
производства» в г. Владимире в 2009 году; НКРК-2010 (XIV Национальная
конференция по росту кристаллов и IV Международная конференция
«Кристаллофизика XXI века», посвященная памяти М.П. Шаскольской) в Москве в
2010 году.
Личный вклад автора заключается в формулировании цели и задач работы, а также в проведении экспериментов по получению стекол и стеклокристаллических материалов на их основе, в подготовке образцов к исследованиям, в систематизации экспериментальных данных и интерпретации результатов. Измерения микротвердостей, плотностей, показателей преломления, электрических свойств и дилатометрические измерения проводились автором лично.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации - 171 страница, включая 80 рисунков, 41 таблицу и библиографию, содержащую 130 наименований.
