Влияние ионного обмена на фазовые равновесия в стеклах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Лобода, Вера Владимировна

• Лобода, Вера Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Лобода, Вера Владимировна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Основные представления о строении стекла.

1.2.Метастабильное фазовое разделение (ликвация) в стеклах.

1.3. Кристаллизация стекол.

1.4. Основы теории ионного обмена.

1.5.Взаимодействие в системе «стекло - расплавленная соль».

Глава 2. Методика эксперимента.

2.1. Выбор модельных стекол.

2.2.Проведение ионообменных обработок стекол.

2.3. Рентгеноструктурный анализ.

Глава З.Изучение фазовых превращений в щелочеборосиликатных стеклах.

3.1. Ликвация в системе К20-В20з-8Ю2. Выбор условий ионообменных обработок

3.2. Индуцированная ликвация в системе Ка20-В203-8Ю2.

3.3. Разрушение двухфазной ликвационной структуры в системе 1л20-№20-В203-8Ю

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние ионного обмена на фазовые равновесия в стеклах»

Ионный обмен в системах «стекло - расплав соли», то есть, процесс замещения катионов стекла катионами расплава соли, приводит к образованию поверхностных слоев с градиентом состава и, как следствие этого, градиентом физических и химических свойств, что имеет важное прикладное значение.

В частности, возникающий при ионном обмене градиент показателя преломления уже сейчас активно используется в современных оптических технологиях для производства различных градиентных структур. Кроме того, ионообменные технологии (или так называемый «ионообменный синтез стекол») позволяют получать стекла с составами, которые не могут быть получены традиционным высокотемпературным синтезом, но которые при этом могут иметь уникальные свойства, например, образовывать при термообработках прозрачную электрооптическую стеклокерамику на основе микрокристаллов ниобата лития.

Такой синтез стал особенно широко применяться и исследоваться после работы Френча и Пирсона [1] , впервые показавших, что тончайшие ионообменные слои на поверхности стекла могут существенно изменить оптические характеристики всей системы. Помимо этих изменений возможно изменение других физико-химических свойств стекла - прочность [ 2, 3], микротвердость [4, 5], термическая прочность [6, 7].

Множество теоретических и экспериментальных работ посвящены ионному обмену как технологии изготовления высококачественных оптических элементов [8, 9, 10, 11, 12].

К таким структурам относятся микролинзы диаметром от 0,2 до 5 (и белее) мм с плоскопараллельными преломляющими поверхностями для технической. медицинской эндоскопии, оптико-волоконных линий связи и других телекоммуникационных задач (в России они называются граданами, а в западных странах - GRIN lenses), микролинзовые растровых структуры (Lens arrays) для копировальных аппаратов и систем слежения, используемых, например, в робототехнике, фазовые дифракционные решетки высокой эффективности, волноводные структуры интегральной и гибридной (дифракционно-градиентной) оптики и оптоэлектроники.

Последние исследования показали, что высокотемпературный (при температурах выше температуры стеклования, Т„) ионный обмен может приводить к раскристаллизации (decrystallization) частично закристаллизованных стекол [13, 14].

Обнаруженный эффект был объяснен в рамках теории фазовых равновесий в жидких гетерогенных растворах. Была предсказана возможность наблюдения, как обратного эффекта, то есть, кристаллизации стекол при ионном обмене, так и других фазовых превращений, то есть ликвации стекол и гомогенизации ликвировавших стекол. К моменту начала настоящей работы, это было единственное исследование, посвященное влиянию ионного обмена на фазовые равновесия в стеклах.

Двухфазные стеклообразные материалы, как и выше упомянутые градиентные структуры, также имеют широкий спектр применений. Здесь упомянем лишь химически стойкие и жаропрочные стеклокерамики, стеклокерамики со сверхнизкими коэффициентами термического расширения, стеклообразные пористые структуры и молекулярные сита, которые получают при выщелачивании ликвировавших стекол, оптические (прозрачные) стеклокерамики, стеклокерамики с нелинейными оптическими свойствами, cut-off фильтры и другие оптические фильтры со специальными спектральными свойствами, получаемые на базе стекол с полупроводниковыми нанокристаллами (quantum dots). Технологии получения перечисленных двухфазных материалов практический всегда ограничиваются традиционным отжигом, который не всегда может обеспечить требуемые свойства выделяющихся фаз, а следовательно, и свойства материала.

Воздействие ионного обмена на фазовые превращения в стеклообразных материалах, открывается дополнительная возможность управления физико-химическими свойствами двухфазных стекломатериалов.

Учитывая, что в то же самое время ионный обмен может приводить к появлению градиента показателя преломления, представляется возможным объединение технологических процессов формирования градиентных структур и двухфазных стекломатериалов и получение оптических элементов сочетающих в себе свойства градиентных структур и уникальные физико-химические свойства стеклокерамик.

Цель представленной работы носит фундаментальный характер и состоит в обнаружении, изучении и экспериментальной демонстрации возможности стимуляции и контроля фазовых превращений в стеклах с помощью ионного обмена.

А именно: метастабильной ликвации (двухфазного разделения), кристаллизации однофазных стекол и гомогенизации двухфазных стекол, а также в формулировке физико-химических условий, обеспечивающих наблюдение перечисленных фазовых превращений и их контроль. 7

Полученные научные и практические результаты выносятся на защиту и сформулированы в виде следующих положений.

1. Эффект стимулированной ионным обменом метастабильной ликвации стекол в системе Ш20-В20з-8Ю2,. Эффект стимулированной ионным обменом метастабильной гомогенизации ликвировавших стекол в системе 1л20-Ыа20-В203-8Ю2. Эффект стимулированной ионным обменом кристаллизации стекол литиевониобиевосиликатной системы.

2. Новый метод (ионообменный) получения стеклокерамических слоев контролируемой толщины на стеклообразной подложке, и его демонстрация на примере получения толстых пленок электрооптической стеклокерамики с кристаллами ниобата натрия,

3. Ионообменный метод получения поверхностных двухфазных слоев, его демонстрация на щелочеборосиликатных стеклах.

4. Использование ионного обмена как нового инструмента для изучения фазовых равновесий в стеклах.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Лобода, Вера Владимировна

4.2. Заключение.

В работе представлены экспериментальные результаты исследования высокотемпературного ионного обмена литий <=> натрий в стекле системы Ь20-]ЧЬ205-8Ю2. Обнаружено, что ионообменная диффузия приводит к кристаллизации стекла. Кристаллы образующиеся в диффузионном слое являются орторомбическими Ма№>03, что можно обнаружить рентгеноструктурным анализом. 4

В зависимости от температурно-временных условий процесса ионного обмена были сформированы стеклокерамические пленки различной толщины.

Кристаллизация стекла, стимулированная ионообменной диффузией, является новой эффективной технологией для производства тонких стекло керамических пленок с предопределенными свойствами.

Толщина и свойства таких пленок могут контролироваться температурой, временем процессов и типом примесных ионов используемых при ионообменной обработке.