Оптические свойства прозрачной керамики MgAl2O4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптические свойства прозрачной керамики MgAl₂O₄

Е.В. Гольева, Д.В. Толстикова, М.Д. Михайлов, А.А. Дунаев, В.Н. Ветров, Б.А. Игнатенков, В.С. Лебанин ОАО «Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова»

Аннотация

Синтезированы слабоагломерированные порошки алюмомагниевой шпинели (АМШ) MgAl₂O₄. Проведен сравнительный анализ морфологических и структурных свойств порошков, синтезированных разными методами. Получены поликристаллические образцы методом горячего одноосного прессования, исследованы их оптические свойства.

Прозрачная керамика из алюмомагниевой шпинели представляет большой интерес для решения задач прикладной оптики. Высокая температура плавления, термостойкость, механическая прочность, прозрачность в видимой и инфракрасной области делают ее перспективным материалом для создания новых оптических элементов авиационной техники.

Цель данной работы - синтез порошков алюмомагниевой шпинели MgAl₂O₄ для прозрачной керамики и исследование их свойств.

Получение керамики включает в себя синтез слабоагломерипрованных нанокристаллических порошков, их дальнейшее компактирование и спекание.

На первом этапе данной работы синтезированы порошки АМШ следующими методами.

1) Гидролиз изопропилатов Al-Mg. Данный метод заключается в растворении металлов Al и Mg в спирте в присутствии активаторов (хлоридов олова и аммония). Полученный таким образом двойной изопропилат подвергается вакуумной перегонке для дополнительной очистки. Образованная в результате гидролиза смесь гидроксидов алюминия и магния прокаливается до образования сложного оксида [1]. Прокаливание смеси гидроксидов проводилось в двух режимах. В первом режиме (далее - «медленный нагрев») нагрев гидроксидов осуществлялся от комнатной до заданной температуры со скоростью < 10^о/мин. Во втором случае (далее - «быстрый нагрев») смесь гидроксидов помещали в уже нагретую до заданной температуры печь.

2) Соосаждение гидроксидов из сернокислых солей (сульфатный метод). Метод заключается в получении раствора сульфатов магния и алюминия путем растворения соответствующих гидроксидов в серной кислоте, упаривании на воздухе и последующем прокаливании смешанной соли MgSO₄AlSO₄26H₂O до образования АМШ.

3) Метод Печини. Он является разновидностью золь-гель синтеза, в котором полимерный материал, полученный из солей металлов, многоосновной кислоты и многоатомного спирта, подвергается термической обработке при температурах 800 - 1000°С. Образование полимера происходит в результате реакции этерификации между цитратным комплексом металлов и этиленгликолем [2].

4) Модифицированный метод Печини. Он заключается в использовании дополнительной термообработки в расплаве инертной соли, в качестве которой обычно применяют хлорид калия [3,4].

5) Соосаждение гидроксокарбонатов. Данный метод синтеза заключается в добавлении по каплям, при постоянном перемешивании растворов нитратов металлов к раствору гидрокарбоната аммония. Полученный осадок сушится при температуре 120^оС и прокаливается при 1000^оС.

На втором этапе данной работы из порошков АМШ, синтезированных вышеописанными методами, были получены поликристаллические (керамические) образцы. Для их изготовления применялся метод горячего одноосного прессования порошков.

Порошки обрабатывались водным раствором LiF (1% масс.), после чего подвергались термообработке при температуре 300?С в течение часа для удаления адсорбированной влаги. Порошок загружался в графитовую пресс-форму. В качестве прокладок использовались графлекс и вольфрамовая фольга. Полученный компакт (50кгс/см² на воздухе) загружался в камеру для горячего прессования, которая вакуумировалась (остаточное давление 10^-3 мм.рт.ст.), далее пресс-форма нагревалась до температуры 1550?С в течение 2 часов, после чего прикладывалось давление 500 кгс/см² в течение одного часа. Охлаждение осуществлялось со скоростью ? 15 град/мин. В результате прессования изготовлены таблетки диаметром 15 мм и толщиной до 2 мм.

Для всех синтезированных образцов с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) SUPRA 40VP WDS был проведен сравнительный анализ морфологии поверхности (рис.1).

а) б)

в) г)

д) е)

Рис. 1. СЭМ - изображения порошков MgAl₂O₄, синтезированных а) гидролизом изопропилатов при медленном нагреве; б) гидролизом изопропилатов при быстром нагреве; в) стандартным методом Печини; г) модифицированным методом Печини; д) сульфатным методом; е) соосаждением гидроксокарбонатов

Согласно данным СЭМ, порошки АМШ, синтезированные гидролизом изопропилатов в режиме медленного нагрева, методом Печини и соосаждением гидроксокарбонатов, состоят из прочных агломератов.

Для образцов, синтезированых из изопропилатов при разных режимах термической обработки, наблюдаются различия в морфологии поверхности. При медленном нагреве происходит сильное спекание частиц и появление крупных жестких агломератов. При быстром нагреве образца протекает интенсивное газовыделение, которое препятствует процессам спекания.

Сравнивая микроснимки образцов, полученных стандартным (рис. 1в) и модифицированным (рис. 1г) методом Печини, можно сделать вывод, что разработанная модификация метода, включающая дополнительную термообработку в расплаве соли, позволяет получать порошки с более слабой агломерацией, чем при стандартном методе Печини. Это объясняется тем, что при прокаливании геля в расплаве соли отсутствуют контакты между отдельными частицами и в результате не происходит образования крупных агломератов.

Согласно данным адсорбционного исследования, удельная поверхность порошка АМШ, синтезированного при быстром нагреве, примерно в два раза больше, чем при медленном. Модификация метода Печини также позволяет увеличить удельную поверхность порошков с 33 до 70 м²/г. Предполагается, что большая удельная поверхность образца способствует лучшему спеканию и равномерному уплотнению порошка.

Для всех образцов, синтезированных разными методами, был проведен рентгенофазовый анализ, который подтвердил во всех случаях образование алюмомагниевой шпинели как единственной кристаллической фазы, с размеров кристаллитов менее 50 нм.

Плотность полученных поликристаллических образцов АМШ определяли методом гидростатического взвешивания. Относительная плотность находится в пределах 96 - 99 % от теоретической.

Образцы изготовленной керамики имеют цвет от серого до черного по всему объему (рис. 2а) Однако, при отжиге на воздухе при высоких температурах (1450?С) в течение длительного времени (12 часов) образцы светлеют (рис. 2б). Предполагается, что такое окрашивание керамики связано с диффузией кислорода из объема образца при спекании в вакууме, а также с неполным удалением загрязнений и примесей с поверхности образца при вакуумировании.

Для изучения оптических свойств керамики были прописаны спектры пропускания в видимом и ИК диапазоне (рис. 3). Для лучших образцов коэффициент пропускания составляет более 40 % (в видимой и ИК области спектра).

Рис. 2. Изображения поликристаллических образцов до а) и после б) отжига, полученных прессованием порошков, синтезированных следующими методами: S3 - гидролизом изопропилатов в режиме медленного нагрева; S12 - в режиме быстрого нагрева; S2 - соосаждением гидроксидов из сернокислых солей; S8 - методом Печини; S9 - модифицированным методом Печини; S11 - соосаждением гироксокарбонатов

Рис. 3. Спектры пропускания поликристаллических образцов, полученных прессованием порошков, синтезированных следующими методами: S3 - гидролизом изопропилатов в режиме медленного нагрева; S12 - в режиме быстрого нагрева; S2 - соосаждением гидроксидов из сернокислых солей; S8 - методом Печини; S9 - модифицированным методом Печини; S11 - соосаждением гироксокарбонатов

Таким образом, в ходе проведенной работы:

1. Синтезированы порошки алюмомагниевой шпинели разными методами. Проведен сравнительный анализ свойств полученных порошков.

2. Методами гидролиза изопропилатов в режиме быстрого нагрева и Печини синтезированы слабоагломерированные порошки АМШ с большой удельной поверхностью

3. Путем горячего одноосного прессования порошков изготовлены поликристаллические (керамические) образцы., относительная плотность которых находится в пределах 96 - 99% от теоретической.

4. Более высоким коэффициентом пропускания обладают образцы, приготовленные из порошков, синтезированных из изопропилатов Al-Mg при быстром и медленном нагреве.

алюмомагниевый шпинель порошок оптический

Литература

1. Дроботенко В.В., Гаврищук Е.М. Способ получения двойного изопропилата магния-алюминия // Патент России № 2471763. 2011.

2. Maggio P. Pechini. Method of Preparing Lead and Alkaline Earth Titanates and Niobates and Coating Method Using the Same to Form a Capacitor // United States Patent 3,330,697. July 11 1967.

3. Гольева Е.В, Михайлов М.Д. Синтез наноразмерных частиц вольфрамата иттрия в солевых расплавах // Неделя науки СПбГПУ. Лучшие доклады: материалы научно-практической конференции с международным участием. СПб.: Изд-во Политехнического университета. 2013. С. 106-109.

4. Толстикова Д.В., Михайлов М.Д., Смирнов В.М. Синтез наночастиц алюмомагниевой шпинели в расплаве хлорида калия // Сборник трудов конференции «Будущее оптики» ГОИ им. Вавилова. 2013. С. 76-78.

Размещено на Allbest.ru