Наностеклокерамические материалы на основе стекол типа эвлитина с содержанием оксида фосфора

Э.Ю. ВЕЛИКАНОВА и др. Наностеклокерамические материалы на основе стекол типа эвлитина теклокерамические материалы с содержанием кристаллических фаз нано-размеров имеют огромное практическое значение благодаря высокой прозрачности, пропусканию, показателям преломления, плотности [1–2]. Изготовление стеклокерамических материалов на основе стекол типа эвлитина 2Вi2O3:3SiO2, совмещающих в себе как свойства стекол, так и монокристаллов силикоэвлитина Вi4Si3O12, позволит использовать их в качестве сцинтилляционных материалов для регистрации высокоэнергетических частиц в ядерном приборостроении [3–4].

Данная работа посвящена получению прозрачных наностеклоке-рамических материалов на основе стекол типа эвлитина, содержащих оксид фосфора.

Технология получения наностеклокерамических материалов из стекол типа эвлитина на основе оксида фосфора заключается в выделении стабильной кристаллической фазы эвлитина Bi4Si3O12 методом направленной кристаллизации. Характеристические температуры (Тg – температура стеклования, Тс – температура начала кристаллизации и Тр – температура размягчения) определяли методом дилатометрии со скоростью нагрева 3–4 о/мин.

Для получения стеклокерамических материалов были выбраны стекла состава эвлитина 2Bi2O3:3SiO2 с содержанием фосфора концентрации 1,4 мол.%. В качестве исходных веществ использовали реактивы Вi2O3, SiO2 и P2O5 марки ОСЧ. Спекание исходных оксидов висмута, кремния и фосфора проводили при 740 оС в муфельной печи в течение 20 часов, периодически перетирая спек. Синтезированную шихту плавили в печи сопротивления в закрытых платиновых тиглях при температуре 930 оС. Полученные расплавы выливали на платиновую фольгу, охлажденную до температуры минус 5 оС.

Получены стекла состава 2Вi2O3:2,9SiO2:0,05P2O5 хорошего оптического качества. Оптическое качество исходных стекол на наличие пузырей, трещин, непроплавов и включений посторонних фаз определяли сначала визуально, а затем с помощью микроскопа МИН-8. Фазовый состав материалов изучали методом рентгенофазового анализа (РФА)

Э.Ю. ВЕЛИКАНОВА и др. Наностеклокерамические материалы на основе стекол типа эвлитина с использованием рентгеновского дифрактометра «ДРОН-3». По данным РФА в полученных стеклах установлено наличие аморфной фазы эвлитина. Стекла имели окраску от желтого цвета до красного. Время варки 1 ч. приводило к получению стекол желтой окраски, время варки 2 ч. 10 мин. – красной окраски.

Направленную кристаллизацию стекол для получения стеклокерамических материалов проводили в интервале температур Тс–Тр (см. таблицу), а также при температурах, лежащих выше указанного интервала.

Характеристические температуры стекол в системе Вi2O3–SiO2–P2O5

Состав исходной шихты	Время варки, ч.	Тg, оС ± 5	Тс, оС ± 5	Тр, оС ± 5
2Bi2О3:2,9SiО2:0,05P2O5	1	360	420	460
	2,2	330	380	420

По данным РФА установлено, что после термообработки стекол в интервале температур 430–500 ± 5 ^оС образовывались следующие кристаллические фазы: стабильная фаза эвлитина 2Bi₂O₃:3SiO₂, BiPO₄, ме-тастабильные гексагональная и орторомбические фазы P₂O₅, кристаллические фазы со структурой флюорита Fm3m ( δ -Bi₂O₃ и BiO₂).

Кристаллизация стекол при 420 ± 5 ^оС приводила к выделению стабильной фазы эвлитина Bi₄Si₃O₁₂, что позволило получить прозрачные стеклокерамические материалы. После термообработки стекол в течение 5 часов при указанной температуре на рентгенограммах появлялись пики, отвечающие стабильной кристаллической фазе эвлитина Bi 4 Si 3 O 12 .

Оценка размеров кристаллической фазы эвлитина Bi4Si3O12 в тон-коизмельченных стеклах после термообработки была проведена с помощью просвечивающего электронного микроскопа FEI Tecnai G2 12 с ускоряющим напряжением 120 кВ. На основании анализа снимков (рис. 1) можно судить также о распределении кристаллической фазы эвлитина Bi4Si3O12 в полученных стеклокерамических материалах.

Из рис. 1 видно, что кристаллическая фаза эвлитина Bi4Si3O12 распределена по всему объему стеклокерамического материала и окруже- ( к содержанию 3

Э.Ю. ВЕЛИКАНОВА и др. Наностеклокерамические материалы на основе стекол типа эвлитина

Рис. 1. Микрофотографии тонкоизмельченного стеклокерамического материала при различных увеличениях (порошки стекол помещены на специальную медную сетку с углеродной подложкой)

на аморфной фазой (рис. 2). Форма кристаллитов эвлитина может быть самой разнообразной, как правильной формы (шестиугольники, стержни), так и произвольной (рис. 1). Средние размеры кристаллитов эвлитина в тонкоизмельченных порошках равны 0,5 мкм.

Рис. 2. Микрофотография кристаллической фазы эвлитина в стеклокерамических материалах

Средние размеры кристаллитов эвлитина в стеклах после термообработки рассчитывались по формуле Шеррера:

L = λ /(β*cosθ), где λ – длина рентгеновского излучения, 5 нм;

θ – дифракционный угол, выраженный в единицах 2 θ , рад.;

β – полуширина пика, мм.

Э.Ю. ВЕЛИКАНОВА и др. Наностеклокерамические материалы на основе стекол типа эвлитина

С увеличением времени термообработки средние размеры кристаллитов линейно увеличиваются (рис. 3). При этом наибольшие средние размеры кристаллитов (за время термообработки 5 ч.) наблюдаются в стеклах желтой окраски (рис. 3а).

Рис. 3. Зависимость среднего размера кристаллита от времени термообработки при 420 ± 5 ^оС стекол состава 2Bi₂O₃:2,9SiO₂:0,05P₂O₅:

а) для стекол времени варки 1 ч.;

б) для стекол времени варки 2 ч. 10 мин.

Заключение

Получены прозрачные наностеклокерамические материалы на основе стекол состава 2Bi2O3:2,9SiO2:0,05P2O5 методом направленной кристаллизации при температуре 420 оС. Средние размеры кристаллитов эвлитина Bi4Si3O12 равны 40 нм (для стекла времени варки 2 ч. 10 мин.) и 50 нм (для стекла времени варки 1 ч.).

Э.Ю. ВЕЛИКАНОВА и др. Наностеклокерамические материалы на основе стекол типа эвлитина

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Великанова Э.Ю., Горащенко Н.Г., Жигалина В.Г. Наностеклокерамиче-ские материалы на основе стекол типа эвлитина с содержанием оксида фосфора // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2011, Том 3, № 2. C. 49–54. URL: magazine/nb/ (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Velikanova E.Y., Gorashenko N.G., Zhigalina V.G. Nanoglassceramic materials on the basis of eulytite type glasses containing pentoxide. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2011, Vol. 3, no. 2, pp. 49–54. Available at: nb/ (Accessed _____________). (In Russian).