Кинетика нуклеации и рост монокристаллов в водных растворах солей калия и лития Дандарон, Намсалма Дашиевна

Введение к работе

Актуальность. Исследование кинетики зародыше-образования, выращивания и механизма роста кристаллов в пересыщенных растворах неорганических веществ имеет большое научное и практическое значение, поскольку эта проблема является основой многих технологических процессов, используемых в прикладной физике, металлургии, химической и пищевой промышленности. В частности, при выращивании новых монокристаллов для научных исследований одной из важных технических задач является выбор состава среды и наиболее устойчивых пересыщенных растворов, обеспечивающих зарождение и рост одного центра кристаллизации. В соответствии с этим возникает необходимость исследования кинетики нуклеации з таких пересыщенных растворах и при тех термодинамических параметрах, которые реально используются для выращивания монокристаллов.

Как известно, кинетическая теория нуклеации возникла на основе термодинамических идей Больцмана и Гиббса и в дальнейшем была разработана многими отечественными и зарубежными исследователями. Однако, создание строгой теории процесса нуклеации с учетом всех реальных факторов встречает большие трудности математического и принципиального характера, поэтому до сих пор она еще далека от завершения.

К ним можно отнести вероятностный характер
образования новой фазы, т.е. зарождение центров кристал
лизации, как спонтанное гомогенное в объеме чистого рас
твора, так и гетерогенное на стенках сосуда и инородных
включениях, является случайным процессом. Это предо
пределяет вероятностный характер параметров, через кото
рые описывается кинетика нуклеации при фазовых перехо
дах первого рода. т

Вследствие недостаточной изученности, в настоящее время имеется мало точных количественных данных об особенностях кинетики начальной стадии заро-дышеобразования в растворах многих солей, обладающих большой линейной скоростью кристаллизации. Так, слабо изучен вопрос о влиянии начального состояния раствора на кинетику нестационарной нуклеации в фазовых переходах первого рода. В тоже время эти данные необходимо знать при разработке универсальных и специфических методов и режимов выращивания монокристаллов из растворов.

В связи с изложенным, основной целью работы является экспериментальные исследования статистических закономерностей кинетики начальной стадии кристаллизации (зародышеобразования) в объемных образцах растворов иодата, бромата, хлорида калия, разработка методики и выращивание монокристаллов из водных растворов солей щелочных металлов.

Основные задачи, которые решались в диссертации:

1. Разработка экспериментальной установки и методологии статистических исследований кинетики зародышеобразования солей из объемных образцов водных растворов.

2. Экспериментальное изучение влияния:

а) предварительной термической обработки раство
ра;

б) температуры кристаллизации и концентрации рас
твора (пересыщения) на скорость зарождения центров кри
сталлизации.

3. Выбор метода, разработка и создание установ
ки для выращивания монокристаллов солей калия и лития
из водных растворов.

4. Оптимизация процесса и выращивание монокристаллов бромата калия и формиата лития для научных исследований.

Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в том, что впервые:

3. Разработана методология и создана установка, позволяющие более детально изучить влияние перегрева раствора, выдержки раствора в перегретом состоянии, числа циклов "растворение -кристаллизации" на кинетику за-родышеобразования в водных растворах методом многих проб.

4. Проведены статистические исследования кинетики нестационарной нуклеации в объемных образцах водных растворах иодата и хлорида калия, которые позволили детально установить влияние перечисленных факторов на процесс гетерогенного зародышеобразования.

5. Обнаружен нелинейный, экстремальный характер зависимости скорости нуклеации от температуры кристаллизации. Это свидетельствует о протекании структурных перестроек в объеме раствора и вблизи растущей поверхности кристалла.

6. Проведены исследования и предложена методология поиска многокомпонентных составов растворов, подходящих для морфологически устойчивого роста кристаллов бромата калия.

Практическая ценность.

7. Предложенная методология и результаты изучения кинетики зародышеобразования позволяют найти режимы получения наиболее устойчивых пересыщенных растворов иодата и хлорида калия и других солей, необходимых при выращивании монокристаллов.

8. Созданные лабораторные установки и методика выращивания кристаллов солей из водных растворов методом температурного перепада позволили получить опытные

образцы ацентричных кристаллов бромата калия и формиа-та лития для научных исследований в области нелинейной оптики и акустоэлектроники.

На защиту выносятся:

9. Методика исследования кинетики нуклеации солей из водных растворов.

10. Результаты исследования кинетики нестационарной нуклеации в водных растворах иодата и хлорида калия в зависимости от предварительной термической обработки раствора и от температуры кристаллизации.

11. Методика выращивания монокристаллов бромата калия и формиата лития.

Апробация работы

Основные результаты исследования докладывались на научных семинарах отделения лазерной физики Института теплофизики СО РАН (Новосибирск), на IV Международной конференции по росту кристаллов в 1980 г. (Москва), на научно-практической конференции Восточно-Сибирского государственного технологического университета в 1999 г (Улан-Удэ). Монокристалл формиата лития, полученный в ходе выполнения работы демонстрировался на выставке "Сибприбор-76" (Новосибирский научный центр СО АН СССР, г. Новосибирск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит //J страниц текста, J&S рисунков. Список литературы состоит из 119 наименований.