Нанопористые стеклообразные темплаты на основе микроликвирующих стекол в системе Na2O-B2O3-SiO2

• Автор: Нарцев, Владимир Михайлович
• Шифр специальности: 05.17.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Белгород
• Количество страниц: 192 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Нанопористое стекло как объект нанотехнологии

1.2. Области применения и перспективные направления использования

пористых стекол.

1.3. Структура натриевоборосиликатного стекла как входной параметр ликвационного процесса

1.4. Особенности процесса ликвации в системе ХагОВгОзБЮг

1.5. Особенности процесса выщелачивания.

1.6. Особенности влияния наносостояния на синтез пористых стекол и

материалов на его основе

1.7. Выводы по анализу литературы, цель и задачи исследования.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.
2.1. Объекты экспериментального исследования
2.2. Методы экспериментального исследования.
2.2.1. Методы моделирования
2.2.2. Методика синтеза объектов исследования.
2.2.3. Методы исследования сгруктурночувствительных свойств полученных стекол
2.2.4. Микроскопические методы исследования структуры стекол
2.2.5. Спектроскопические методы исследования полученных стекол.
2.2.6. Метод определения массового распределения частиц пористого порошка по размерам
2.2.7. Метод исследования текстурных характеристик пористых стекол
2.2.8. Методы исследования свойств материалов на основе пористою стекла.
2.3. Выводы.
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СТЕКОЛ В СИСТЕМЕ ЫагОВзОзБЮг.
3.1. Статистические модели свойств стекол в системе ИагОВгОзБОг
3.2. Моделирование структурного состояния стекол в системе ЫаВзБЮ2 па базе теории ассоциированных растворов
3.3. Структурная модель ликвации в трехкомпонентной системе.
3.4. Выводы.
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ СИНТЕЗЕ ПОРИСТЫХ СТЕКОЛ И СВОЙСТВ ОБРАЗУЮЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ
4.1. Исследование процесса микроликвации в системе ХагОВгОзБЮг
4.1.1. Исследование влияния условий синтеза стекла и режимов его термообработки
на процесс ликвации.
4.1.2. Исследование структурночувствительных свойств полученных стекол.
4.1.3. Исследование структуры полученных стекол.
4.1.4. Исследование размеров фаз в лидировавших стеклах и пор убчатого каркаса
в пористых материалах на их основе
4.2. Исследование процесса выщелачивания стекол.
4.2.1. Влияние условий синтеза стекла морфологию пористых материалов
4.2.2. Исследование микроструктуры пористых материалов.
4.2.3. Исследование текстуры пор.
4.3. Выводы
5. ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА НАНОПОРИСТЫХ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ТЕМПЛ АТОВ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕ
5.1. Проект технологического регламента синтеза нанопористых стеклообразных
тем платов.
5.2. Синтез и свойства материалов на основе нанопористых стеклообразных темплатов.
5.3. Выводы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Акт о внедрении в учебный процесс рсзультатовдиссертационной
Приложение 2. Акт внедрения в учебный процесс учебнометодического
пособия Зольгель технология стекломатериалов и покрытий.
Приложение 3. Письмо ИХС РАН об актуальности темы диссертации.
Приложение 4. База составов и основных параметров получения пористых стекол
Приложение 5. Листинг программы расчета составов, объемных долей, свойств
сосуществующих фаз, свойств исходного и двухфазного стекол.
риложение 6. Вид стекол В0 В6 после термообработки.
Приложение 7. Вид стекол В0 В6 после выщелачивания.
Приложение 8. Листинг программы обработки изображений
Приложение 9. Результате работы программы расчета свойств стекол.
Приложение . Листинг программы моделирования структурного состояния стекол
системы ЫагОВгОзБЮг
Приложение . Листинг программы структурной модели ликвации в
тройной системе
Приложение . Акт об испытаниях образцов модифицированного нанопористого стекла
ВВЕДЕНИЕ
К темплатам матрицам, шаблонам можно отнести специальным образом сконструированные или подобранные вещества, которые передают особенности своего строения и свою геометрию синтезируемым с их помощью продуктам соединениям, наноструктурам и т.д. . Учитывая интенсивное развитие нанотехнологии, повышенный интерес вызывает тсмплатный синтез различных наноструктур и нанокомпозитов 6. При этом получаемые частицы и кластеры не агрегируются, обладают чрезвычайно узким распределением по размерам и идентичны по морфологии, что важно как для синтеза нанокомпозитов, так и для исследования наносостояния вещества 4, 6, , .
Темплаты по способу образования с их помощью наноструктур условно можно разделить на 2 вида.
Непористые нанотрубки, наностержни и т.д., то есть формирующие структуры на наружной поверхности и образующие при темплатном синтезе материал с нанопустотами.
Нанопористые, то есть формирующие структуры на внутренних поверхностях и образующие при темплатном синтезе наночастицы.
К нанопористым темплатам, то есть твердым веществам с системой пронизывающих их пор диаметром 1.0 нм, можно отнести активированные угли, шунгит, цеолиты, нанопористые стекла, силикагель, алюмогель, нанонористую керамику, некоторые органические полимерные мембраны, в том числе ионнотрековые, пористый алюминий, углеродные и неуглеродные нанотрубки, мезопористый микрокремнезем и аналогичные структуры 4, .
Среди указных материалов нанопористое стекло занимает особое место, что связано с комплексом уникальных свойств стеклообразной составляющей и возможностью регулирования характеристик пор в широких пределах.
Также немаловажной является возможность получения различного рода изделий из нанопористого стекла. Монолитный дизайн улучшает функциональные свойства материала, существенно упрощает контроль структурных параметров и обеспечивает легкость замены отработанных блоков .
Актуальность


Стекла типа Уусог применяются для захоронения радиоактивных отходов, для спаев стеклостекло, стеклокерамика, стеклометалл, а также для создания деталей космических аппаратов, стеклосилицидных высокотемпературных защитных покрытий и других областях . Имеются сведения о разработке на основе пористых стекол лазерных сред, быстродействующих лазерных затворов, микрооптических элементов, градиентных и плоских линз, оптических фильтров, сред для регистрации голограмм, фото, электрохромных и магнитооптических стекол, световодов, нелинейнооптических элементов , , 6. Пористое стекло с внедренными наночастицами может стать основой для изготовления дисплеев, источников света , 7, фотонных материалов с отрицательным показателем преломления и волноводным эффектом 7, ,. В перспективе на базе пористых стекол можно получить материалы для магнитной записи информации, магнитных сенсоров, диэлектрики с ультранизкой или ультравысокой диэлектрической проницаемостью , 8, 9. Значительный эффект упрочнения достигается в углеродкремнеземистых матералах и прозрачных нанокомпозитах полимерстекло на основе пористых стекол 0, 1. Следует отметить, что многообразие областей применения и перспектив использования пористых стекол связано с сочетанием ценных свойств стекла прозрачность, прочность, химическая устойчивость, био и термостойкость и возможности к регулированию характеристик пор в широких пределах. Анализ известных и перспективных материалов на основе пористого стекла, подтверждает актуальность исследований в области технологии его синтеза и показывает, что пористое стекло по существу является темплатом, от характеристик которого должны зависеть как свойства внедряемых в поры нанообразований, так и свойства материала в целом. Ключевым аспектом совершенствования имеющихся приложений и создания новых материалов на основе пористого стекла является разработка технологии синтеза нанопористых стеклообразных темплатов с заданной структурой пористого стекла параметры пор и свойства стекломатрицы. Структуру натриевоборосиликатного стекла наиболее удачно на данный момент можно описать в виде связанных друг с другом элементарных структурных блоков табл. Таблица 1. Сочетанием в определенных концентрациях блоков можно воссоздать структуру стекла, а затем вывести из нее коэффициенты диффузии, вязкость, межфазнос натяжение и другие свойства стекла 2, , , а таюке определить специфику неоднородного строения 4, 0, оказывающие существенное влияние на процесс ликвации , 2, 9, . Концентрация элементарных группировок в основном зависит от состава и температуры стекла, поэтому для решения задач технологии нанопористых темплатов необходима информация о концентрации структурных элементов в широких диапазонах составов и температур. Кроме температуры и состава на структуру исходного стекла и ее воспроизводимость оказывают влияние условия синтеза 3, к которым относятся химический, минеральный и фракционный состав сырьевых материалов, рецепт и степень однородности шихты, температурногазовый режим варки стекломассы, материал тигля, скорость охлаждения стекломассы. В составе сырьевых материалов содержатся примеси, которые неизбежно переходят в стекло. Материал тигля также является источником примесей. Такие соединения, как правило, не влияют на энергетику ликвации, однако они изменяют даже при малых концентрациях устойчивость стекла к зарождению новой фазы, кинетику процесса распада и влияют на размер и морфологию фаз , чему способствует неравновесность и нелинейность ликвации 3, , , 1, 9. Некоторые примеси, концентрируясь в нестойкой фазе, изменяют ее химическую устойчивость и изменяют характер выщелачивания , 0. Концентрация Н в стеклах системы НаВз8Ю2 зависит от вида сырья, режима варки и может достигать 1 мол Примесная вода приводит к объединению боратных структурных блоков, что способствует ликвации, в том числе за счет снижения вязкости. Вода, концентрируясь в нестойкой фазе, измяет ее термическое рашпрение, что приводит к росту межфазных напряжений, а при дальнейшем выщелачивании разрушению образцов . АОз, Ь2Оз и ряд других оксидов при введении в стекла концентрируются на границе раздела фаз, эффективно снижая межфазное натяжение 4.