МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ МАТЕМАТИКИ, ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА НЕОРГАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Игнатьева Любовь Владимировна

Стеклообразование в системах

NaF - MeF₂ - CdSO₄ (Me - Ca, Ba)

Направление 020100.68 Химия

Программа «Физико-химический анализ природных

и технических систем в макро - и наносостояниях»

Выпускная работа –

магистерская диссертация

Научный руководитель:

к.х.н., доцент кафедры

неорганической и

физической химии ТюмГУ

Кертман А. В. _______________

Руководитель программы: доктор хим. наук,

профессор Андреев О.В. ______________

Рецензент:

Зав. кафедрой материаловедения и технологии

конструкционных материалов Тюменского

государственного нефтегазового

университета, доктор техн. наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Ковенский И.М. ______________

«Допустить работу к защите»

Заведующий кафедрой

неорганической и физической химии

доктор хим. наук, профессор Андреев О.В. ______________

Тюмень – 2011

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………....-4-

Глава 1. Литературный обзор………………………………………….-7-

1.1. Стеклообразное состояние веществ……………………………………......-7-

1. Определение стекол…………………………………………….........-7-

2. Условия стеклообразования………………………………………...-8-

1.1.3. Свойства стекол…………………………………………………….-10-

1.2. Кристаллизация оптических стекол……………………………………....-15-

1.3. Химические и физико-химические свойства NaF, CaF₂, BaF₂ и

CdSO₄…………………………………………………………….........................-18-

1.4. Критерии стабильности стекол……………………………………….…..-22-

1.5. Количественный критерий стеклообразующей способности

вещества на основе учета природы химической связи……………………....-23-

1.6. Диаграммы плавкости систем NaF – MeF₂, NaF – CdSO₄, MeF₂ – CdSO₄ (Me – Ca, Ba)……….…………………………………………-26-

Глава 2 физико-химические методы анализа……………….-27-

2.1. Понятие о методах физико-химического анализа…………………….…-27-

2.2. Рентгенофазовый анализ (РФА)…………………………………………..-30-

2.3. Дифференциально-термический анализ (ДТА)………………………….-34-

2.4. Микроструктурный анализ (МСА)…………………………………….…-36-

2.5. Видимая и ИК-спектроскопия…………………………………….………-37-

Глава 3 исследования стеклообразования в системе

NaF – MeF₂ – CdSO₄ (Me – Ca, Ba)…………….………………………………-40-

3.1. Диаграммы плавкости систем……………………………………………...-40-

3.2. Расчет стеклообразующей способности расплавов систем

NaF – MeF₂ – CdSO₄ (Me – Ca, Ba), содержащих тройное

соединение……….………..…………………………………………….............-42-

3.3. Определение области стеклования в системе NaF – MeF₂ – CdSO₄

(Me – Ca, Ba)………...............................................................................................-50-

3.4. Исследование свойств фторсульфатных стекол …………………………-55-

3.4.1. Оптическая прозрачность стекол………………………………….-55-

3.4.2. Термические характеристики стекол в системах

NaF – MeF₂ – CdSO₄ (Me – Ca, Ba)…….....................................................-59-

ВЫВОДЫ…………………………………………………………………………-67-

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………........-68-

Введение

Проблеме стеклования неорганических веществ посвящено значительное число работ. Исследования оксидных, сульфидных, галогенидных, сульфатных или смешанных стекол и построение структурных моделей стеклообразования в большинстве случаев основывается на сравнении результатов, полученных различными методами исследований кристаллических и стеклообразных систем близкого химического состава. Такой подход справедлив в том случае, если ближнее окружение центрального атома предполагается идентичным как для кристаллического, так и для стеклообразного состояний. В дополнение к данному подходу, который основывается на знаниях кристаллохимии, в последнее время делаются попытки развить новый способ описания закономерностей стеклообразования с использованием представлений о расплавленном состоянии. Использование комплексно-кластерной модели строения солевых расплавов раскрывает широкие перспективы в понимании химических и физико-химических закономерностей процесса стеклообразования, причин формирования той или иной сетки стекла, влияния химической природы и концентрации компонентов стеклообразующей системы на структуру и свойства получаемого стекла [1].

В структурных моделях авторы предлагали количественные критерии стеклования, основанные на изучении классов стекол, содержащих бинарные соединения: оксиды, халькогениды, галогениды. В работах Байдакова Л.А. предложен метод расчета стеклообразующей способности вещества на основе квантовых характеристик атомов, входящих в данное вещество, и учета природы взаимодействия между ними [2].

Целью настоящей работы является определение областей стеклования и физико-химических свойств стекол в системах NaF – MeF₂ – CdSO₄ (Me – Ca, Ba).

Задачами исследования являются:

1. Построение диаграмм плавкости систем CdSO₄ – NaF; CaF₂ – CdSO₄; NaF – BaF₂; BaF₂ – CdSO₄.

2. Теоретическое и экспериментальное определение областей стеклования расплавов образцов систем NaF - CaF₂ - CdSO₄ и NaF - ВaF₂ - CdSO₄, условий получения стекол, изучение термической стабильности и оптической прозрачности стекол.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах:

1. Впервые построены диаграммы плавкости 4 систем в температурном интервале от 500 К до температур полного расплава.

2. В системах NaF - CaF₂ - CdSO₄ и NaF - ВaF₂ - CdSO₄ расчетным путем определены области стеклования, границы которых подтверждены экспериментальными исследованиями. Имеющаяся корреляция между расчетными значениями областей стеклования и результатами эксперимента свидетельствует о достоверности выбора критериев стеклообразования.

3. Определены характеристические температуры, критерии термической стабильности и области прозрачности стекол. С увеличением радиуса иона щелочноземельного металла область стеклования и термическая стабильность стекол увеличивается. Область прозрачности синтезированных стекол находится в интервале от 258-270 нм до 7-8 мкм.

Практическая значимость.

Определены области стеклования в системах NaF - CaF₂ - CdSO₄ и NaF - ВaF₂ - CdSO₄. Синтезированные стекла, обладающие высокими значениями пороговых длин волн в инфракрасной области (до 8.0 мкм), предложены к использованию в качестве ИК окон.

Представлена возможность использования концепции расчета стеклообразующей способности ковалентного расплава для систем, имеющих соединения со сложным анионом.

Полученные результаты могут быть использованы как справочные данные, дополняющие представления о химии фторсульфатных стекол.

На защиту выносятся:

1. Диаграммы плавкости систем CdSO₄ – NaF; CaF₂ – CdSO₄; NaF – BaF₂; BaF₂ – CdSO₄.

2. Теоретический расчет стеклообразующей способности ковалентного расплава и экспериментальное подтверждение областей стеклования в системах NaF - CaF₂ - CdSO₄ и NaF - ВaF₂ - CdSO₄.

3. Термическая стабильности и оптическая прозрачность полученных стекол.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на XXI Российской молодежной научной конференции (Екатеринбург, 2011); студенческой научной конференции (Тюмень, ТюмГУ, 2011 - диплом первой степени).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 научные статьи (Вестник ТюмГУ, 2009, 2011) и 1 тезис доклада.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 71 страницах, включая 17 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 44 наименования.