Фториды редкоземельных элементов.
Анализ тенденций развития современной фотоники показал, что в ближайшие годы в этой области важную роль будут играть устройства на основе фторидных соединений. Физическими основами для таких утверждений являются:
-прозрачность фторидов в широкой спектральной области (от 0.2 до 6 мкм);
-«короткие» фоновые спектры, препятствующие развитию вредного эффекта многофононной релаксации в электронных уровнях примесных ионов;
- легкость введения в состав фторидов значительных количеств активных редкоземельных ионов (вплоть до концентрации 1021 см-3);
- лучшие механические свойства и высокая влагостойкость фторидов по сравнению с другими классами веществ, обладающих широким окном пропускания, таких как хлориды и халькогениды;
- высокая теплопроводность фторидов.
Трифториды редкоземельных элементов (РЗЭ) LnF3 (Ln = La – Lu, Y) используются для приготовления активных и пассивных элементов фотоники. Фториды со структурой тисонита (LаF3) находят применение в качестве структурных оптических материалов, основы люминесцентных пигментов лазеров, УФ-сцинтилляторов, твердых электролитов. Активно разрабатываются способы получения нанофторидов, перспективных для создания люминесцентных материалов, катализаторов, биомедицинских приложений.
Интерес к наноразмерным частицам возрастает благодаря их уникальным физическим и химическим свойствам, отличными от свойств микро- и макрочастиц. Наночастицы фторидов обладают повышенной реакционной способностью, что позволяет снизить температуры твердофазных реакций с их участием. Массивные изделия из наночастиц характеризуются некоторыми улучшенными показателями по сравнению с объемными кристаллами из микрозёрен.
|
|
|
Привлекательна возможность создания фторидной лазернойнанокерамики по прозрачности и спектрально-генерационным характеристикам практически не уступающей монокристаллам, причем решающий технологический прорыв получен при использовании процессов самоорганизации наночастиц. Преимуществами лазерной нанокерамики по сравнению с монокристаллами являются существенно более низкие температуры процессов, возможность получения больших образцов, улучшенные механические характеристики, равномерность распределения и высокие концентрации ионов-активаторов, возможность получения прозрачной оптической среды в тех случаях, когда получение монокристаллов затруднено.
Фторсульфиды редкоземельных элементов LnSF (Ln = La – Gd) перспективны в оптическом приборостроении, лазерной технике, спектр поглощения соединений LаSF находится в диапазоне 390-440 нм, пороги поглощения профилей представляют интерес для УФ-приложений. Соединения LnSF (Ln=La-Се) могут найти применение в электронике. Соединения LnSF, запатентованы как безопасные цветные неорганические пигменты, обладающие высокой химической инертностью, термической стабильностью, широким цветовым диапазоном и стабильностью по отношению к УФ-излучению.
|
|
|
Таблица 12.1.
Размеры частиц и параметры элементарных ячеек соединений LnF3 (Ln = La–Gd).
| LnF3 | Цвет порошка | Рассчитан-ный D, нм | Данные СЭМ,нм | Пр.гр. | а, Å | b, Å | c, Å |
| LaF3 | белый | 16 | > 100 | P-3с1 | 7,195 | - | 7,364 |
| CeF3 | белый | 33 | 50-75; 150х90 | P-3с1 | 7,133 | - | 7,290 |
| PrF3 | бледно-зеленый | 40 | - | P-3с1 | 7,081 | - | 7,243 |
| NdF3 | бледно-розовый | 42 | - | P-3с1 | 7,037 | - | 7,204 |
| SmF3 | белый | > 100 | - | P-3с1 | 6,958 | - | 7,127 |
| SmF3 | белый | > 100 | - | Pnma | 6,669 | 7,068 | 4,408 |
| GdF3 | белый | 54 | 40-50х9 | Pnma | 6,576 | 6,988 | 4,394 |
СЭМ – сканирующая электронная микроскопия. Пр.гр. – пронстранственная группа.
Трифториды РЗЭ LnF3 (Ln=La-Lu, Y) получены воздействием фтористоводородной кислоты на порошки полуторных сульфидов РЗЭ Ln2S3(Ln=La-Lu, Y) при комнатной температуре. По данным рентгенофазового анализа полученные соединения однофазны. Наличие на дифрактограммахLnF3 (Ln = La –Nd, Gd, Dy, Y) значительного фона и размытость рефлексов свидетельствует о нанометровом размере частиц. По данным электронной микроскопии полученные LnF3 (Ln=La-Lu, Y) имеют микроразмерные частицы.
|
|
|
Частицы LnF3 (Ln = La –Nd, Gd, Dy, Y) имеют овальную или овально-продолговатую форму и имеют хотя бы один из размеров входящий в область нонометровых. Порошки соединений LnF3 (Ln = Sm, Ho – Lu) не удалось получить в наноразмерном состоянии.
| |||||||||||||||||||||||||
При химических реакциях и термических воздействиях изменяется зёренная структура порошков (рис. 12.19). Исходные порошки α-La2S3 состоят из отдельных частиц и их агломератов. Основной структурной формой порошков являются овальные зерна со средним размером 1-3 мкм, которые объединены в цепочечно-разветвленные формы 5-10 мкм, пространственно-разветвленные структуры, агломераты овальной либо овально-продолговатой формы 10-13 мкм, многие из которых имеют рельефную поверхность и каналы.
|
|
|
Образующиеся в процессе реакции зерна LaF3 имеют элементы подобия и отличия от зерен α-La2S3. Согласно данным СЭМ, порошки также состоят из зерен и агломератов. Единичный фрагмент – продолговатый кристаллит 1-3 мкм, характерные формы зерен овально-продолговатые с выраженными углами размером 5-13 мкм. Отсутствуют ажурные структуры, характерные для зерен порошка α-La2S3. При этом необходимо отметить, что, согласно данным рентгеновской дифракции, единичные фрагменты, различимые методом сканирующей электронной микроскопии, также представляют собой агломераты первичных наночастиц.
1
| 2
|
3
| 4
|
| Рис. 12.20. Снимки со сканирующего-электронного микроскопа порошков 1-2 Се2S3; 3,4- СеF3высушен под вакуумом при 80°Сприразличном увеличении: 1–1μm; 2,3–0,5 μm; 4–0,1 μm | |
. После термической обработки в порошках образуются отдельные кристаллы с выраженными плоскостями и гранями, значительно увеличиваются размеры агломератов до 25-30 мкм, их зёренная структура становится более плотной. Подобные зерна соединений LaF3более химически инертны к окружающей среде.
По данным сканирующей электронной микроскопии исходные порошки α-Се2S3 (рис. 12.20) образованы агломератами с размерами от 5 до 15 μm. Зеренно-структурная частица агломератов имеет преимущественно плоскую, вытянуто-овальную форму. Преобладают зеренно-структурные частицы с размером 3-7 μm (рис. 12.20). Структурные частицы объединены между собой и образуют агломераты овальной или плоской формы, имеющие рельефную поверхность и каналы. При высоком разрешении (рис.12.21) на поверхности зеренно-структурных частиц порошка α-Се2S3 обнаружены более мелкие структурные элементы - кристаллиты с формой близкой к шестиграннику. В явном виде просматривается присутствие углов в 120 градусов.
| 
|
| Рис. 12.21. Снимки со сканирующего-электронного микроскопа порошков 1- Gd2S3; 2- GdF3высушен под вакуумом при 80°С при различном увеличении: 1–1μm; 2–0,5 μm. | |
| 
|
| Рис. 12.22. Снимки со сканирующего-электронного микроскопа частиц порошка LаSF, полученного из шихты состава 1 Lа2S3:1 LаF3-нано, 700ºС 10 мин | |
Склонность наноразмерных порошков к агломерированию подтверждается данными электронной микроскопии. Частицы порошка СеF3 образуют рыхлые агломераты (рис. 12.21). Единичные фрагменты, различимые методом СЭМ, представляют собой овальные зерна с размерами от 55 до 75 нм или овально-продолговатые зерна имеющие размер 150х90нм и 110х75нм. У всех частиц один из размеров меньше 100 нм, и по данному признаку образующиеся зерна относятся к наночастицам.
Получения порошков соединений LnSF Основной структурной формой LаSF являются овальные зерна со средним размером 0.5-2 мкм, с выраженными плоскостями и гранями (рис. 12.22).
Резюме.
Нанометр — одна миллиардная доля метра (по системе единиц СИ, 10-9 метра). Наноматериалы ‑ материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.\
Физические причины специфики наноматериалов следующие: большая доля поверхностных атомов, увепичение объёмной доли границ раздела наночастиц, более высокие коэффициенты диффузии атомов в наночастицах, склонность наночастиц к самоорганизации, процессы, протекающие на поверхности наночастиц.
Наноматериалы классифицируют приимущественно по признакам, присущим наноматериалам: наноструктурированные, нанодисперсные; простые наноматериалы, сложные наноматериалы; изолированные наноразмерные объекты и массивные наноматериалы и другие виды наноматериалов.
Фуллереныпредставляют собой замкнутые молекулы углерода, в которых все атомы расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида.
Углеродные нанотрубки - протяжённые структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из свёрнутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах. Создано поколение процессоров, содержащих 45, 32, 25-нанометровых транзисторов. Приведены примеры микро и наночастиц фторидов металлов.
Вопросы для самопроверки.
1. Чему равен один нанометр? Частицы, каких размеров относят к наночастицам?
2. Кем было впервые предложено собирать молекулы из отдельных атомов?
3. В каком количестве направлений размеры наночастиц не должны превышать 100 нм?
4. Каковы основные физические причины специфики наноматериалов?
5. Присутствуют ли в нано размерных частицах объёмные дефекты кристаллической структуры и в каких концентрациях?
6. Почему наночастицы склонны к процессам самоорганизации и образованию, например кластерных структур?
7. Для каких частиц макро или нано коэффициенты диффузии имеют большие значения и почему?
8. В каких частях наночастиц может не проявиться дальний порядок в расположении атомов?
9. Какие физические методы используют для получения наночастиц?
10. В каких видах наноматериалов более вероятно протекание процессов самоорганизации наночастиц в нанодисперсных или в наноструктурированных материалах?
11. В чём основные отличия простых наноматерилов от сложных?
12. Какую физико-химическую природу имеют квантовые точки?
13. Какую пространственную структуру имеют фуллерены?
14. Являются ли фуллериты прочными материалами и почему?
15. Какую пространственную структуру имеют углеродные нанотрубки?
16. Каким образом относительно друг друга расположены атомы углерода в нанотрубках? Какова структура сетки, которую они образуют?
17. Какими методами получают углеродные нанотрубки?
18. Какой материал более прочный сталь или углеродные нанотрубки и почему?
19. Каким образом в углеродных нано трубках можно реализовать переход металл – полупроводник?
20. Каковы реальные и потенциальные области применения углеродных нанотрубок?
21.Какова структура графена и какие свойства графена определяются особенностями его структуры?
22. В каких областях перспективно применение графена?
23.В чём преимущества и недостатки минимизации размера процессоров?
24.Охарактеризуйте частицы фторидов редкоземельных элементов по их снимкам, полученным на электронно сканирующим микроскопе.
Заключение.
По завершению изучения дисциплины материаловедения было бы весьма полезно сохранить накопленную Вами информацию. При возможности соберите электронные и бумажные носители в отдельную папку назовём её материаловедческая папка.
Знания по материаловедению, справочный материал могут пригодиться в различных ситуациях, например, при необходимости определить марку стали, или марку бронзы, узнать о строении полимера, оказать консультацию коллегам по работе в решении материаловедческих задач.
Материаловедческую папку можно постоянно пополнять новыми данными. Информация о материалах и свойствах постоянно присутствует в телевизионных новостях, газетах и журналах, не говоря уже о специализированной литературе.
Знание материалов весьма полезно для профессиональной деятельности в производственной сфере. Компетенция в области материаловедения позволяет критически оценить используемые на производстве материалы, наметить пути оптимизации приобретения материалов, сформулировать предложения по использованию новых материалы с расширенным комплексом свойств. В сфере оценки недвижимости знания материалов помогает объективно оценить материальное состояние объекта, объёмы ремонтов для приведения предприятий, зданий, квартир в соответствие с нормативами современных требований.
Качество используемых материалов часто определяет работоспособность техники. Внешне не отличимые изделия, изготовленные профессиональной компанией с использованием качественных сталей или произведенные на предприятиях тиражирующих подделки, имеют различные ресурсы работы.
Оценка качества изделий, основанная на личном опыте всегда в той или иной мере субъективна. Весьма подходящими могут быть знания о том, какие анализы, и на каком оборудовании должны быть проведены для независимой и объективной сертификации материалов и оборудования.
Для продолжительного использования технических устройств необходимо следить, чтобы они использовались в тех условиях, которые прописаны в паспортах оборудования. Неоправданное превышение технических режимом эксплуатации материалов существенно изнашивает детали изделий, снижает ресурс эксплуатации оборудования. Неживые материалы, как и живые объекты также подвержены процессам старения. Исходя из материаловедческих знаний, полезно обосновывать экономическую целесообразность проведения плановых ремонтов оборудования и мониторинга за состоянием материалов, из которых изготовлено оборудование.
Компетентная оценка уровня современных материалов, понимание путей их развития позволяет грамотно построить стратегию развития предприятий, повысить их конкурентную способность. Постоянное пополнение знаний по материаловедению весьма желательно для повышения профессионализма.
Тесты для самоконтроля.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1112; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!