МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» Химический факультет Доклад Керамические материалы Выполнил: студент 3 курса, очного отделения, группы 0221Б1ХМ1 Мельников С.А. Преподаватель: Доцент, к.х.н. Апрятина А.В. Нижний Новгород 2023 0 Оглавление Вступление .......................................................................................................................... 2 Керамическая промышленность ..................................................................................... 2 Традиционная керамика................................................................................................... 3 Новая керамика ................................................................................................................. 4 Оптическая керамика .................................................................................................... 6 Лазерные керамические материалы............................................................................ 8 Исследования НИЛ ОКМ ХФ ННГУ ............................................................................ 10 Исследование свойств фторапатита стронция, легированного ионами эрбия ... 10 Изготовление и исследование свойств фторарсената стронция............................ 12 Заключение ....................................................................................................................... 12 Список литературы ......................................................................................................... 13 1 Вступление В настоящее время керамику определяют как искусство и науку изготовления и использования твердых изделий, которые состоят в основном из неорганических неметаллических материалов. Это определение включает не только такие материалы, как фаянс, фарфор, огнеупоры, строительную керамику, абразивы, эмали, цементы и стёкла, но также неметаллические магнитные материалы, сегнетоэлектрики, синтетические монокристаллы, а также различные другие виды продукции, не существовавшие еще несколько десятков лет назад, многие типы которых не производятся в больших количествах и сегодня. Наше определение гораздо шире, чем искусство и наука изготовления и использования твёрдых изделий, образованных воздействием нагрева на естественные сырьевые материалы; оно расширяет смысл греческого слова keramos, означающего фаянс, или «обожженный материал», а также гораздо шире, чем обычные словарные определения, такие «как фаянс» или «гончарное изделие». Современное развитие методов производства и использования материалов, отвечающих предъявляемым требованиям, а также их новые уникальные свойства, делают традиционные определения слишком ограниченными. Разработка новых керамических материалов и новых методов производства заставила расширить общепринятую точку зрения и фундаментально изменить подход к вопросу о том, что такое керамика. Керамическая промышленность Керамическая промышленность является одной из наиболее крупных отраслей во всем мире. По прогнозам, к 2030 году годовой оборот керамической продукции в мире вырастет почти до 360 миллиардов долларов США. Одной из важнейших характеристик керамической промышленности является то, что она представляет собой основу для успешной работы многих других отраслей индустрии. Огнеупоры, например, являются основой для металлургии. Абразивы нужны для машиностроения и автомобильной промышленности. Изделия из стекла необходимы не только для строительства и автомобильной промышленности, но также и для электроники и электропромышленности. Различные виды специальной электрои магнетокерамики необходимы для разработки электронных контрольноизмерительных приборов, счётно - решающих устройств и других аппаратов. Фактически почти любая производственная линия, предприятие или сооружение используют керамические материалы. Приборы современной конструкции включают 2 керамические материалы, так как они обладают ценными химическими, механическими, термическими и структурными свойствами. Таким образом, значение керамической промышленности определяется не только тем, что она включает крупные отрасли индустрии, но и тем, что свойства керамических материалов незаменимы во многих областях применения. Традиционная керамика Мы можем определить традиционную керамику как силикатную промышленность, включающую главным образом производство изделий из глин, производство цемента и силикатных стёкол. Искусство изготовления фаянса путём формования и обжига глины было известно на заре цивилизации. Изделия из обожженной глины были найдены в раскопках, имевших возраст около 15 тыс. лет до нашей эры, а как промышленный продукт они были широко распространены около 5 тыс. лет до нашей эры. Производство силикатных стёкол также является древнейшим искусством. Природное стекло (обсидиан) использовалось ещё в средние века. Эмали на каменных бусах были известны около 12 тыс. лет до нашей эры. Изделия, сформованные из стекла, были известны в период 12 - 5 тыс. лет до нашей эры, а около 2 тыс. лет до нашей эры в Египте имелось довольно совершенная стекольная промышленность. В противоположность этому производство цементоподобных материалов получило развитие лишь около двухсот лет назад. Египтяне использовали обожженную известь как кладочный раствор; позднее римляне скомбинировали известь с вулканическим пеплом для изготовления природного гидравлического цемента. Затем это искусство, по-видимому, было утрачено, но гидравлические свойства слабообожжённых глинистых известняков были вновь открыты в Англии приблизительно в 1750 году, и в последующие сто лет процессы производства цемента, в основном те же самые, что и теперь, получили достаточное развитие. Наибольшая доля среди отраслей керамической промышленности, несомненно, падает на производство различной продукции из стекла. Последняя производится почти полностью из натрий - кальцийсиликатных стёкол. Следующими, наиболее крупными по объёму производства отраслями керамической промышленности являются производства извести и цемента. В этой группе материалов наибольшая доля падает на гидравлические цементы, используемые в строительстве. Наиболее разнообразная группа изделий включена в классификацию, относящуюся к тонкой керамике. Эта группа включает фаянс, фарфор и сходные фарфороподобные материалы с тонким черепком, к которым относится большое число специфических материалов. К следующему классу традиционной керамики относятся эмали, представляющие собой главным образом силикатные стекловидные покрытия по металлам. Другая чётко выраженная группа материалов включает строительные материалы, главным образом кирпич и черепицу, а также аналогичные изделия, такие как канализационные трубы и 3 др. Особенно важной группой материалов с точки зрения их технического и промышленного применения являются огнеупоры. Около 40% выпуска огнеупоров падает на производство шамота, а другие 40% на производство грубозернистых глинистых огнеупоров, таких как магнезит, хромит и подобных им по составу. Кроме того, имеется большая потребность в специальных огнеупорных материалах. К группе абразивных материалов относятся главным образом карборундовые и корундовые абразивные изделия. Наконец, к последней группе отраслей керамической промышленности, которая не производит керамических изделий как таковых, относится синтез минералов и сходных сырьевых материалов, используемых в керамической промышленности. Новая керамика Несмотря на свою древность, керамическая промышленность не стоит на одном месте. Хотя традиционная керамика (или силикатная керамика) составляет подавляющую часть выпускаемых керамических материалов, как по тоннажу, так и в ценностном выражении, за последние несколько десятков лет и по сей день разрабатываются разнообразные типы новой керамики. Последняя представляет особый интерес, поскольку она обладает уникальными ценными свойствами. Новые типы керамических материалов были разработаны либо для удовлетворения особых требований в отношении стойкости при сверхвысоких температурах, в отношении высоких механических и электрических свойств и высокой химической устойчивости, либо они были получены в той или иной степени случайно, после чего стали производиться в промышленных масштабах. Для того чтобы показать, насколько бурно протекал период создания новых типов керамических материалов, полезно кратко рассмотреть некоторые частные примеры их получения. Керамика чистых окислов, предназначенных для использования в качестве специальных электротехнических или огнеупорных изделий, характеризуется высокими значениями ряда их свойств и стабильностью. Для её изготовления чаще всего используются такие чистые окислы как корунд (Al2O3), двуокись циркония (ZrO2), двуокись тория (ThO2), окись бериллия (BeO), окись магния (MgO), шпинель (MgAl2O4) и форстерит (Mg2SiO4). Ядерное топливо было разработано на основе использования двуокиси урана (UO2), которая обладает выдающейся способностью сохранять свои ценные свойства после длительного использования в качестве топливного материала в ядерных реакторах. Магнитная керамика имеет разнообразные составы и назначение. Она является основой магнитных регистрирующих систем в большинстве приборов. Её уникальные электрические свойства особенно важны при использовании в высокочастотной микроволновой электронике. 4 Монокристаллы разнообразных материалов производятся в настоящее время либо для замены некоторых природных кристаллов, не удовлетворяющих каким-либо требованиям, либо благодаря своим собственным уникальным свойствам. Двумя наиболее важными в практическом отношении типами монокристаллов являются монокристаллы сапфира, выращиваемые из расплава, и крупные кристаллы кварца, выращиваемые в гидротермальных условиях. Нитридная керамика также обладает необычайно хорошими свойствами для специальных применений. Этот класс материалов включает нитрид алюминия – огнеупор, обычно используемый в лабораторных условиях для плавки алюминия; нитрид кремния - промышленно важный новый огнеупор, и нитрид бора, который в своей наиболее обычной форме может быть с успехом использован в качестве огнеупора, а полученный при чрезвычайно высоких давлениях и температурах также может служить абразивным материалом. Эмали для алюминия с успехом широко используются в строительной индустрии. Металлокерамика играет большую роль в машиностроении. Другая важная область её использования – огнеупоры. Наиболее типичными представителями этой группы материалов являются различные карбиды на металлической связке, а также смеси хромосодержащих сплавов с окисью алюминия. Карбидная керамика также обладает рядом ценных свойств. Карбиды кремния и бора имеют особенно важное значение в качестве абразивных материалов. Сегнетоэлектрическая электрическая керамика (как, например, титанат бария) - эти материалы имеют чрезвычайно высокую диэлектрическую постоянную и является существенной составной частью электронных приборов. Бессиликатные стёкла особенно важны благодаря прозрачности в инфракрасной части спектра и другим специальным оптическим свойствам. Молекулярные сита весьма, сходные с природными цеолитами, но имеющие более однородную структуру, изготовляются с контролируемой пористостью. Межплоскостные расстояния в структуре этих материалов настолько велики, что они могут быть использованы для разделения различных веществ с молекулярной дисперсностью. Пирокерам. Его технология основана на получении керамики путём формования изделий из стекла с последующей термообработкой, обеспечивающей протекание процессов образования центров кристаллизации и контролируемого роста кристаллов, с получением однородного тонкозернистого стеклокристаллического материала. Кроме того, в настоящее время производят и используют большое число других новых керамических материалов, неизвестных десять или двадцать лет назад. С этой точки зрения керамическая промышленность является одной из наиболее быстро 5 развивающихся отраслей индустрии с новой продукцией, ценные свойства которой постоянно совершенствуются. Оптическая керамика В данном реферате мы подробнее коснемся темы оптической керамики, которая близка для химического факультета Нижегородского государственного университета за счет того, что одним из главных направлений исследований кафедры неорганической химии является изучение свойств оптических материалов. Кафедра неорганической химии тесно сотрудничает с институтом химии высокочистых веществ, для которого тема исследования оптических материалов так же одна из основных. В результате поиска оптических материалов, в наиболее полной мере сочетающих прозрачность в ИК-области спектра при нормальной и высоких температурах с высокой механической прочностью и термостойкостью, в середине прошлого века была разработана технология изготовления методом горячего прессования необычных в классическом понимании поликристаллических оптических материалов. Прозрачные в оптическом диапазоне спектра и керамические по сути приемов изготовления эти материалы в отечественной литературе получили название оптической керамики. Этот термин в 1972 году принят также Американским керамическим обществом на своем ежегодном собрании. Возможность изготовления прозрачных поликристаллических материалов была установлена экспериментально спектроскопистами, разработавшими так называемый KBr-метод исследования спектральных характеристик различных химических соединений путем впрессовывания их в бромистый калий. Разработка технологических процессов изготовления представляющих практический интерес для оптотехники прозрачных и механически прочных поликристаллических материалов стала возможной только в результате систематических фундаментальных исследований кинетики и механизма процессов спекания. Исследование влияния на процесс уплотнения порошков при спекании температуры, давления, окружающей атмосферы, примесей и термической предыстории исходных материалов привело к разработке двух приемов получения поликристаллических материалов с плотностью, весьма близкой к теоретической, т.е. с плотностью, соответствующей плотности монокристаллического вещества, а, соответственно, прозрачных и прочных. Первый из этих приемов подобно классическому керамическому заключается в спекании предварительно сформированной заготовки при температуре, близкой к температуре плавления вещества, из которого она сформирована. Спекание осуществляется в вакууме или в водороде. Успех применения этого метода определило установление факта повышенной подвижности ионов на границах зерен и в связи с этим установление роли в спекании границ зерен как основных каналов массопереноса и стоков вакансий. В результате проведенного потока были найдены добавки, небольшие количества которых способны существенно тормозить процесс рекристаллизации и таким образом сохранять большую удельную поверхность границ зерен во время всего процесса спекания. Торможение роста зерен сводит к минимуму 6 удаление пор, захваченных зернами, в практически приемлемое время спекания. При этом уменьшение размера зерен весьма положительно сказывается на механической прочности получаемой керамики. Рассмотренный прием был с успехом применен для изготовления оптической керамики из окиси алюминия, алюмомагниевой шпинели, окиси иттрия, окиси циркония, окиси тория, окиси скандия и окислов редких элементов. Он является незаменимым в тех случаях, когда необходимо изготовить изделия сложных форм. Более универсальным, позволяющим получать плотные и прозрачные поликристаллические материалы из веществ, относящихся к различным классам химических соединений, и потому получившим более широкое распространение, оказался второй прием изготовления оптической керамики, обычно называемый горячим прессованием. Этот прием заключается в проведении спекания при одновременном нагревании и приложении давления. Вполне возможно, что большему распространению этого метода способствовало то обстоятельство, что одновременный нагрев и воздействие давлением позволяют значительно снизить температуру спекания, а вместе с тем примерно на порядок снизить скорость собирательной рекристаллизации. Последнее свойство процесса горячего прессования благоприятствует получению плотной микрокристаллической, механически прочной и прозрачной керамики. Технология производства оптических поликристаллов методом горячего прессования заключается в прессовании при высоких давлениях и температурах, составляющих 2/3 температуры плавления вещества: тонкодисперсных порошков оксидов, фторидов, сульфидов, селенов или более сложных соединений. При этом эффективно действуют два механизма массопереноса – трансляционное скольжение по кристаллографическим плоскостям и скольжение по границам зерен. Прикладываемые удельные давления составляют 1–3 т/см2. Время приложения давления составляет 5–60 мин. Процесс горячего прессования осуществляют, как правило, в вакууме порядка 10 -2–10-4 мм рт. ст. Получаемый беспористый материал, лишь немного уступая монокристаллу аналогичного химического состава по пропусканию в видимой части спектра, хорошо пропускает излучение ИК-области спектра и обладает высокой способностью выдерживать термомеханические удары. Размер единичного зерна в отпрессованной заготовке в зависимости от типа керамики составляет от единиц до нескольких десятков мкм. Методом горячего прессования могут быть получены заготовки различных форм: диски, линзы, полусферические обтекатели. Известны приемы, позволяющие одновременно получать несколько заготовок. В литературе отмечается возможность получения этим методом рабочих поверхностей оптических деталей с точностью до одной интерференционной полосы и не требующих дополнительной холодной обработки. В зависимости от типа оптической керамики максимальные размеры заготовок изменяются от 80 до 350 мм. Метод горячего прессования используется и для изготовления образцов, получаемых на базе НИЛ оптических керамических материалов ХФ ННГУ. 7 Лазерные керамические материалы Если амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация электромагнитной волны постоянны или изменяются, но не хаотически, а упорядоченно, по определенному закону, то такая волна когерентна. Строго монохроматическая волна всегда когерентна. Взаимная когерентность двух немонохроматических волн означает, что они обладают одинаковым набором частот, а разность их фаз постоянна во времени. До появления лазеров можно было генерировать когерентные радиоволны, но невозможно было генерировать когерентные световые волны. Можно было усиливать слабые радиоволны, сохраняя все их свойства (что особенно важно в технике передачи информации), но не существовало усилителей света. И то, и другое стало возможным после создания лазеров. Для того, чтобы понять какими свойствами должны обладать лазерные материалы, необходимо иметь представление о том, что такое лазер и какие физические законы и принципы положены в основу его устройства и функционирования. Резонансные свойства отдельных атомов и молекул, а также кристаллов, которые как было хорошо известно, могут избирательно излучать или поглощать свет определенной длины волны, к концу 50-х годов прошлого столетия были достаточно хорошо изучены. Как атомы, так и молекулы и кристаллы являются сложными микросистемами, состоящими из ядер и электронов. Энергия относительно движения частиц, составляющих атомы, может принимать только строго определенные значения. Эти значения энергии ε2, ε3, … εk называются уровнями энергии. Система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома. Уровень с минимальной энергией называется основным, а остальные – возбужденными. Энергетический спектр изолированного атома определяется его структурой. Число атомов, обладающих одинаковой энергией, называется населенностью уровня. Если атому, находящемуся на основном уровне ε1, сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней. Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света. Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии εm на уровень энергии εn, то частота испускаемого кванта света νmin: νmin = 1/h*( εm - εn ), где h – постоянная Планка, равная 6,62491·10–27 эрг·с. С постоянной Планка связано наличие у частицы волновых свойств, так как импульсу р всякой частицы соответствует длина волны λ= h/p, а энергии частицы – частота ν: ε = hν. Если р>>h, то λ -> 0 и волновые свойства частицы становятся несущественными. Спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах: нагревание или электрических разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света 8 хаотически испускаются атомами в виде волновых цугов. Цуги не «согласованы» друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно. Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например, света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с характеристиками внешней волны, действующей на атом. Чтобы осуществить это практически, необходимо удовлетворить определенным условиям. Во-первых, необходим резонанс – совпадение частоты падающего света с одной из частот νmn энергетического спектра атома. О выполнении резонансного условия позаботилась сама природа: если световой квант испущен спонтанно при переходе атома с более высокого уровня εm на уровень εn, то его частота равна νmn и будет соответствовать переходу между аналогичными уровнями другого такого же атома, так как энергический спектр одинаковых атомов абсолютно идентичен. В дальнейшем вынужденное излучение возбужденных атомов порождает целую лавину световых квантов, во всем подобных первичному кванту. В результате совокупность атомов испустит интенсивную когерентную световую волну, т.е. будет осуществлена генерация когерентного света. Другое условие связано с населенностью различных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне εm, происходит также резонансное поглощение атомов, населяющих нижний уровень εn. Атом, находящийся на нижнем уровне εn, поглощает световой квант, переходя при этом на верхний уровень εm. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне Nm было больше числа атомов на нижнем уровне Nn, между которыми происходит переход. Конечно, можно использовать лишь ту пару уровней, между которыми возможен переход, так как не все переходы между любыми двумя уровнями разрешены природой. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому любое тело, сколь угодно сильно нагретое, не будет генерировать свет за счет вынужденных переходов. Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называется активным или состоянием с инверсией (обращением) населенностей. Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации. Для примера рассмотрим, как эта проблема решается в рубиновом лазере. Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году. В дальнейшем появилось много других лазерных материалов, но остается бесспорным факт, что рубин по своим физическим и механическим свойствам был и остается одним из лучших лазерных материалов. Рубин – это твердое кристаллическое вещество. Основой его является корунд – диэлектрический кристалл окиси алюминия (Al2O3). Рубином он становится тогда, когда небольшую часть атомов Al в этом кристалле заменяют ионы хрома Cr3+. Содержание атомов Cr в кристалле 9 невелико (0,05%). В рубине, обычно применяемом в лазерах, на каждый см3 кристалла переходится около 10^19 атомов Cr. Это составляет примерно одну десятитысячную от полного числа атомов. И тем не менее именно с введением атомов Cr кристалл принимает характерный для рубина красный цвет. Цвет кристалла обусловлен расположением энергетических уровней атомов Cr в рубине. В кристалле на атомы Cr действует сильное электрическое поле, создаваемое атомами O и Al. Вклад самих атомов Cr в это поле ничтожно мал, так как мала их концентрация. Поэтому взаимодействие атомов Cr друг с другом очень слабо. Их энергетический спектр соответствует спектру свободного атома Cr, помещенного в сильное электрическое поле кристалла, расщепляющее уровни атома. Энергетический спектр Cr в рубине был изучен задолго до создания лазера. Рубин уже применялся в квантовой электронике для создания квантовых парамагнитных усилителей радиодиапазона, а еще раньше для исследования люминесценции. Исследования НИЛ ОКМ ХФ ННГУ Исследование свойств фторапатита стронция, легированного ионами эрбия Рассмотрим некоторые последние исследования в направлении керамических лазерных и оптических материалов НИЛ ОКМ ХФ ННГУ. Монокристаллы со структурой апатита (пространственная группа P63/m), легированные ионами редкоземельных элементов, известны как лазерные материалы с характеристиками на уровне лучших лазерных кристаллов и стекол. Возможность лазерной генерации в этих средах известна с 1970-х годов. Однако структурные и люминесцентные свойства наиболее часто используемых кристаллов фторапатита стронция Sr5(PO4)3F (SFAP), легированных ионами иттербия, были подробнее изучены в конце 1990-х и в начале 2000-х. Длительный период люминесценции (1,14 мс), высокий порог повреждения (50 Дж/см^2) и низкие потери излучения (<10^-3 см^-1) делают Yb:SFAP (фторапатит, легированный ионами иттербия) привлекательным материалом для создания новых активных лазерных сред. Поскольку SFAP имеет некубическую анизотропную кристаллическую структуру, его применение в качестве лазерного материала в виде поликристалла ограничено из – за потерь проходящего света, вызванного двойным лучепреломлением. В то же время, более высокие механические свойства керамики по сравнению с монокристаллами, возможность увеличения концентрации активной добавки (редкоземельные элементы) и создания материалов с градиентным легированием могут привести к значительному прогрессу в лазерных свойствах твердотельных лазерных материалов. Один подходов к преодолению рассеяния света заключается в ограничении размера зерен на уровне не более ~ 100 нм. Когда рабочие длины волн намного превышают 10 размеры зерен, анизотропия материала не оказывает существенного влияния на распространение излучения. Однако достижение нужной плотности керамики при сохранении такого малого размера зерен является весьма нетривиальной задачей. Основным подходом к синтезу нанопорошков фторапатита является осаждение из раствора. Таким образом исследователями из Японии были получены образцы фторапатита кальция и фторапатита стронция, легированных ионами иттербия и неодима, однако нигде не упоминается о получении фторапатита, легированного ионами эрбия, хотя те же авторы указывают на их возможные лучшие свойства по сравнению с ранее упомянутыми материалами. Поэтому целью одного из последних исследований НИЛ ОКМ ХФ ННГУ было установление условий синтеза и спекания прозрачной керамики из фторапатита стронция и оценка возможности создания люминесцентных материалов на основе SFAP, легированного эрбием. Известно, что выбор исходных реагентов может оказать существенное влияние на морфологию и структуру продукта осаждения. Для оценки этого эффекта были выбраны хлорид, ацетат и нитрат стронция. Синтез проводили согласно нижеприведенным реакциям: 5Sr(NO3)2 + 3(NH4)2HPO4 + NH4F +3NH4OH -> Sr5(PO4)3F + 10NH4NO3 + 3H2O 5SrCl2 + 3(NH4)2HPO4 + NH4F +3NH4OH -> Sr5(PO4)3F + 10NH4Cl + 3H2O 5Sr(CH3COO)2 + 3(NH4)2HPO4 + NH4F +3NH4OH -> Sr5(PO4)3F + 20CH3COONH4 + 6H2O Согласно рентгенограммам, продукт синтеза, независимо от типа исходного материала, представляет собой фазу фторапатита стронция; никаких примесных фаз не наблюдалось. С использованием растрового электронного микроскопа были получены микроснимки синтезированных порошков, из которых было выяснено, что размер их частиц составляет 50 – 100 нм. Однако порошок, синтезированный из хлорида, был более агломерированным по сравнению в двумя другими. Предположительно, комплексные анионы (ацетат, нитрат) сильнее экранируют частицы, когда они адсорбируются на поверхности осажденных частиц. Более того, ацетатные и нитратные фрагменты при окислительном отжиге на воздухе выделяют несколько газовых молекул (CO2–H2O, NO2–H2O), в связи с чем, агломерация порошка становится более рыхлой. Исследуя полученные образцы Er:SFAP на люминесцентные свойства, было выяснено, что пик люминесценции приходится на промежуток 1,45 – 1,65 мкм. Также было показано, что при повышении температуры спекания, интенсивность люминесценции увеличивается, что связывается с уменьшением концентрации гидроксильных групп и увеличением степени кристаллизованности. Одновременно с этим, при температуре спекания выше 1000 oC наблюдается выделение второй фазы Sr3Er(PO4)3. 11 Таким образом, Er: SFAP является перспективным лазерным материалом; однако необходимо тщательно оптимизировать температуру и условия обработки порошка, чтобы предотвратить разложение фазы SFAP на две составляющие. Изготовление и исследование свойств фторарсената стронция Ранее мы уже обсуждали характеристики оптической керамики на основе фторапатита стронция, охарактеризовав его как перспективный материал для использования в лазерных и инфракрасных оптических системах. Однако диапазон пропускания для SFAP ограничивается длиной волны в 4,5 мкм, что объясняется поглощением излучения фосфатными группами. Следовательно, для расширения диапазона пропускания предпочтительнее использовать более тяжелые элементы в составе аниона. В связи с этим было предложено использовать структурный аналог фторапатита стронция – фторарсенат стронция Sr5(AsO4)3F (SFAs), упоминания о котором в качестве оптического материала не встречались в научной литературе. Порошки SFAs были получены методом осаждения из раствора в соответствии с нижеприведенным уравнением: 5Sr(NO3)2 + 3H3AsO4 + NH4F +9NH4OH Sr5(AsO4)3F + 10NH4NO3 + 9H2O Мышьяковая кислота была получена по схеме: As + 5HNO3H3AsO4 + 5NO2↑ + H2O Полученные порошки были очищены, высушены и спечены в графитовой пресс – форме при температуре 1000 oC и давлении 50 Мпа. После исследования структуры порошков методом рентгенофазового анализа было выяснено, что он содержит только фазу SFAs, наличие примесей не наблюдалось. С помощью растрового электронного микроскопа были сделаны микроснимки порошков SFAs. Размер частиц составлял от 100 до 200 нм, что аналогично размеру частиц SFAP. Прозрачность в среднем ИК – диапазоне для образцов фторарсената стронция составила 89,5 %, что больше по сравнению со фторапатитом стронция, прозрачность которого равна 85,8%. Также было выяснено, что нижний предел пропускания для SFAs составил 0,2 мкм, против 0,4 мкм у SFAP. Верхний предел пропускания составил 6 мкм, что больше верхнего предела пропускания SFAP на 1,5 мкм. Заключение С древнейших времен керамические изделия использовались в обиходе человека. С тех пор объемы использования и производства керамики только росли, и в наши они находятся на таком уровне, что трудно представить себе жизнь без продуктов 12 керамической промышленности, особенно в нынешний век технологий. Без достижений в области керамики невозможным было бы производство современных сверхпроизводительных электронных устройств, использующих керамические полупроводники. С помощью керамической промышленности активно используются и осваиваются новые технологии атомной энергетики. Керамика используется в медицине, измерительных приборах, ракетостроении и во многих других областях. Нынешние исследования керамических материалов позволят нам использовать их еще в более широком круге областей и дадут возможность сделать жизнь человека лучше. Список литературы https://www.statista.com/topics/8686/ceramics-industry-worldwide/ Кингери У. Д. Введение в керамику. Стройиздат, Москва, 1962. – 500 с. Зверев В.А., Е.В. Кривопустова, Т.В. Точилина. ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. Часть 2. Учебное пособие для конструкторов оптических систем и приборов. – СПб: СПб НИУ ИТМО, 2013. – 248 с. Fabrication and Luminescent Properties of Er-Doped Sr5(PO4)3F Ceramics / Dmitry Permin et al. // Inorganics. – 2023. – с. 1 – 11. Fabrication and study of the strontium fluoroarsenate Sr5(AsO4)3F (SFAs) transparent ceramics / M.D. Nazmutdinov et al. // Optical materials. – 2023. – с. 2 – 9. 13
