Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПОРИСТЫХ СТЕКОЛ НА ОСНОВЕ НАТРИЕВОБОРОСИЛИКАТНОЙ СИСТЕМЫ

Ванина Е.А. 1 Киселева А.Н. 1 Голубева И.А. 1
1 Амурский государственный университет
В результате проделанной работы исследованы неоднородности структуры стекла. Рассмотрена структура пористого стекла. Освоен способ изготовления трехкомпонентного стекла системы Na2O-B2O3-SiO2. Изучены строение и свойства пористого стекла. Методом ИК-спектроскопии установлено, что в трехкомпонентном стекле системы Na2O-B2O3-SiO2 при отжиге происходит процесс постепенного фазового разделения компонентов стекла на кремнеземную фазу, с малой примесью оксида бора и оксида натрия, а также на натриево-боратную фазу с некоторым содержанием оксида кремния. В дальнейшем после его травления соляной кислотой идет процесс образования, на месте натриево-боратной фазы, полостей представляющих собой поры, пронизывающие структуру стекла. Методами ИК-спектроскопии и растровой электронной микроскопии установлено, что в результате проведенной работы было получено пористое кварцевое стекло представляющее собой перколирующую структуру двух взаимопроникающих фаз.
пористое стекло
строение стекла
инфракрасная спектроскопия
растровая электронная спектроскопия
физико-химические свойства
изотермический отжиг
химическая обработка стекла
1. Боков Н. А. Динамика неравновесных структур в интервале стеклования оксидных стекол по данным метода рассеяния света. - СП.: ИХС, 2008. - 30 с.
2. Ванина Е. А., Чибисова М. А., Чибисов А. Н. Влияние γ-излучения на оптические свойства натриево-силикатных стекол // Письма в ЖТФ. - 2007. - Т. 33. - Вып. 22. - С. 81-86.
3. Пшенко О. А., Антропова Т. В., Кухтевич И. В., Головина Г. Ф. Исследование двухфазных натриевокалиевоборосиликатных стекол методами оптической спектроскопии // Труды оптического общества им. Д. С. Рождественского (IX Международная конференция «Прикладная оптика-2010»). - СП., 2010. - С. 39-42.
4. Тюрнина Н. Г. Термодинамические свойства силикатных стекол и расплавов II. Система SrO-SiO2 // СП.: ЖОХ, 2006. - Т. 76. - Вып. 12. - С. 1966-1973.
5. Хачатурян А. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов. - М.: Наука, 1984. - 384 с.
6. Хоник В. Стекла: структура и структурные превращения. - В.: ВГПУ, 2001. - 95 с.
В последние годы особое внимание уделяется проблеме получения и исследования структурных особенностей новых термостойких функциональных материалов с уникальными физическими свойствами, предназначенных для использования, прежде всего, в приборостроении, оптике, квантовой электронике, в радиационном материаловедении [1, 2]. В качестве базовых матриц для создания композитных материалов используются высококремнеземные пористые стекла, которые являются результатом химического травления трехкомпонентных стекол щелочноборосиликатных систем. Разработка технологии получения оксидных материалов с заданными свойствами требует всестороннего изучения их физико-химических свойств [3].

Боросиликатные системы имеют два катиона-стеклообразователя, каждый из которых способен формировать свои собственные анионные группировки при взаимодействии с оксидами щелочных металлов. Закономерности образования боратной и силикатной составляющей и их взаимодействие определяют основные структурные особенности и физико-химические свойства боросиликатных стекол и расплавов [3]. Для модернизации технологии изготовления пористых стекол важной задачей является исследование структурных особенностей таких систем.   

Пористые кварцевые стекла, обладающие сквозными наноразмерными  каналами, широко используются для фильтрации и разделения различных соединений. Поры в стеклах соединяются между собой и достаточно однородны по размерам. Пористое стекло является механически жестким и прочным, не образует пыли и химически инертно.

Цель данной работы заключалась в исследовании структуры пористого трехкомпонентного стекла, полученного в лабораторных условиях.

Трехкомпонентное стекло системы Na2O-B2O3-SiO2 было получено из кварцевого кремнезема (SiO2), борного ангидрида (B2O3) и кальцинированной соды (Na2CO3). В результате исследования, полученного образца системы Na2O-B2O3-SiO2 на спектрофотометре Perkin Elmer Spectrum One, была построена спектральная кривая зависимости коэффициента пропускания (Т), от частоты (ν) (рисунок 1). В спектре  боросиликата присутствуют полосы, ответственные за колебания мостиков Si-O-Si при 1088,1 см-1 и 464,3 см-1, а также новые полосы при 1384,5 см-1, 921,1 см-1, 800 см-1 и 672,1 см-1. При этом частота основной полосы колебаний Si-O-Si (1110 см-1) несколько смещается в низкочастотную область (1088,1 см-1), что является следствием внедрения атомов бора в решетку SiO2. Это смещение вызвано уменьшением угла  Si-O-Si. Полосы при 1384,5 см-1 и 921,1 см-1 соответствуют колебаниям мостиковой связи B-O-B, которые также смещены в низкочастотную область по сравнению с частотами основных полос (1370 см-1 и 950 см-1). Согласно данным полоса при 1384,5 см-1 вызвана соответственно асимметричными колебаниями тригонально (ВО3) координированных групп бора. А появление слабых широких полос при 800 см-1 и 672,1 см-1 связано с суммарными деформационными колебаниями мостиков тригонально и тетраэдрически координированных атомов бора, присутствующих в структуре боросиликата. Четко просматривается зависимость между интенсивностями полос 1384,5 см-1, 921,1 см-1, 800 см-1 и 672,1 см-1 и концентрацией борного ангидрида: с увеличением содержания В2О3 интенсивность полос увеличивается. Это позволяет предположить, что полученный продукт является индивидуальным соединением, а не механическими смесями оксидов Si и В, полосы же при 800 см-1 и 672,1 см-1 можно считать ответственными за колебания мостиковых связей Si-O-B [1, 4 - 6].

Рис. 1. ИК-спектр, полученного образца системы Na2O-B2O3-SiO2

Отжиг полученного образца проводился в интервале температур стеклования при температуре 560 ˚С с целью исследования фазового превращения в трехкомпонентном стекле системы Na2O-B2O3-SiO2.

В результате отжига в спектре (рисунок 2) трехкомпонентного стекла наблюдается постепенное смещение полос поглощения, ответственных за колебания мостиковых связей B-O-B и Si-O-Si в сторону основных полос колебаний, относящихся к кристаллическим веществам. Также наблюдается уменьшение интенсивности полос поглощения, ответственных за колебания мостиковых связей Si-O-B. Результаты исследования приведены в таблице 1.

Таблица 1. Отжиг образца трехкомпонентного стекла при 560 ˚С и последующее травление соляной кислотой при 180 ˚С

Литературные данные для B2O3 и SiO2

ν, см-1

Отнесение полос

Экспериментальные данные

ν, см-1

Смещение частот

Δν, см-1

Экспериментальные данные

ν, см-1

Смещение частот

Δν, см-1

Отжиг при 560°С

Травление и отжиг при 180°С

1370

B-O-B

1384,9

14,9

1384,9

14,9

1110

Si-O-Si

1092,1

17,9

1088,3

21,7

950

B-O-B

925,2

24,8

940,5

9,5

810

Si-O-B

800,0

10,0

794,7

15,3

700

Si-O-B

672,1

27,9

705,2

5,2

480

Si-O-Si

470,8

9,2

463,6

16,4

Постепенное смещение частот полос поглощения в сторону основных полос колебаний, относящихся к кристаллическим веществам, говорит о постепенном образовании постоянного угла между мостиковыми связями Si-O-Si и B-O-B, что свидетельствует о постепенном образовании более прочных мостиковых связей. Уменьшение интенсивности полос поглощения, характерных для связи Si-O-B, говорит о постепенном уменьшении количества компонентов, образующих данный вид связи, которые переходят в более устойчивые обособленные друг от друга мостиковые связи Si-O-Si и B-O-B. Таким образом, можно считать, что при нагревании в трехкомпонентном стекле системы Na2O-B2O3-SiO2 происходит процесс постепенного фазового разделения компонентов стекла на кремнеземную фазу, с малой примесью оксида бора и оксида натрия, а также на натриево-боратную фазу с некоторым содержанием оксида кремния. Объемное содержание обеих фаз таково, что они образуют непрерывные, пронизывающие друг друга структуры, что и обусловливает возможность получения пористого продукта после соответствующей химической обработки [4, 5].

Рис. 2. ИК-спектр пропускания трехкомпонентного стекла после отжига при 560˚С

В результате исследования образца стекла системы Na2O-B2O3-SiO2, полученного после его травления соляной кислотой, на спектрофотометре Perkin Elmer Spectrum One, была построена спектральная кривая зависимости коэффициента пропускания (Т) от частоты (ν), характерная для данного образца стекла (рисунок 3).

Рисунок 3. ИК-спектр пропускания трехкомпонентного стекла после травления соляной кислотой при 180 ˚С

В случае травления соляной кислотой (HCl) в спектре экспериментального образца (рисунок 3) наблюдается смещение полос поглощения, ответственных за колебания мостиков B-O-B при 940,5 см-1, а также Si-O-B при 705,2 см-1 в сторону основных полос колебаний, относящихся к кристаллическим веществам. Также наблюдается резкое уменьшение интенсивности полос поглощения с частотами 1384,9 см-1 и 705,2 см-1, ответственных за колебания мостиков B-O-B и Si-O-B. Результаты исследования приведены в таблице 1.

Смещение частот полос поглощения в сторону основных полос колебаний, относящихся к кристаллическим веществам, говорит о постепенном образовании постоянного угла между мостиковыми связями Si-O-B и B-O-B, что свидетельствует об образовании более прочных мостиковых связей. Резкое уменьшение интенсивности полос поглощения, характерных для связи Si-O-B и B-O-B, свидетельствует об уменьшении количества компонентов, образующих данный вид связи, которые переходят в раствор соляной кислоты, так как являются химически не устойчивыми к действию кислоты. Все это говорит о том, что в трехкомпонентном стекле системы Na2O-B2O3-SiO2 после его отжига и последующего травления кислотой идет процесс образования на месте натриево-боратной фазы полостей в виде пор, которые пронизывают структуру стекла [4-6].

Полученные образцы также были исследованы методом растровой электронной микроскопии на микроскопе JSM-6390. По полученным изображениям была проведена оценка размеров пор, образующихся на месте натриево-боратной фазы после травления. Размеры изменяются в широком диапазоне от 0,2 мкм до 2,8 мкм, что можно объяснить неоднородностью структуры.  

Исходя из экспериментальных данных, полученных методами ИК-спектроскопии и РЭМ, установлено, что в результате проведенной работы было получено пористое кварцевое стекло, представляющее собой перколирующую структуру двух взаимопроникающих фаз.

Рецензенты:

  • Литовка Геннадий Васильевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой общей математики и физики ФГБОУ ВПО «Амурский государственный университет», г. Благовещенск.
  • Ланкин Сергей Викторович, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой физики и методики преподавания физики ФГБОУ ВПО «Благовещенский государственный педагогический университет», г. Благовещенск.

Библиографическая ссылка

Ванина Е.А., Киселева А.Н., Голубева И.А. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПОРИСТЫХ СТЕКОЛ НА ОСНОВЕ НАТРИЕВОБОРОСИЛИКАТНОЙ СИСТЕМЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=6407 (дата обращения: 24.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074