Получение и исследование строения пористых стекол

Федеральное агенство по образованию 

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

АМУРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ГОУ  ВПО «АмГУ») 
 

Факультет Инженерно-физический

Кафедра Теоретической и экспериментальной физики

Специальность 010701 – Физика 

                                                                                 ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ

                                                 Зав. кафедрой

                                                                          _____________ Е.А. Ванина

                                                                         «_________»________2009 г. 

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА 

на тему: Получение и исследование строения пористых стекол 

Исполнитель

студент группы 411               _____________________                Е.В. Ленивкин 

Руководитель 

д.ф.-м.н., профессор             _____________________                Е.А. Ванина 

Нормоконтроль

к.ф.-м.н., доцент                    _____________________                И.Б. Копылова 

Рецензент                              

к.ф.-м.н., профессор              _____________________                Л.П. Карацуба 
 
 

Благовещенск 2009 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     РЕФЕРАТ 
 

     Дипломная работа содержит 49 с.,  14 рисунков, 4 таблицы, 31 источник. 

     Натриево-боросиликатное стекло, пористое стекло, строение стекла, инфракрасная спектроскопия, растровая электронная спектроскопия, физико-химические свойства, изотермический отжиг, химическая обработка стекла. 

     В работе получено стекло системы Na₂O-B₂O₃-SiO₂. В результате изотермического отжига и химической обработки получено пористое стекло из каркаса SiO₂. Строение стекла исследовано методом инфракрасной спектроскопии и растровой электронной микроскопии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Содержание 
 

Введение                     

1 Стеклообразные вещества                                                                                      7

1.1 Классификация стекол                                                                                  10            

1.2 Физико-химические свойства стекол                                                           11

1.3 Структура  стекол                                                                                           14

1.4 Неоднородности структуры стекла                                                              17                                  

1.5 Получение и строение пористых стекол                                                     23

2 Методы получения и исследования стекол                                                          28

2.1 Методика изготовления трехкомпонентного стекла                                 28           

2.1.1 Приготовление шихты                                                                      28             

2.1.2 Варка шихты                                                                                     29       

2.1.3 Охлаждение стекломассы                                                                 30    

2.2 Отжиг трехкомпонентного стекла                                                               31

2.3 Химическая  обработка стекла                                                                     32

2.4 ИК-спектроскопия                                                                                        33

2.5 Растровая  электронная микроскопия                                                         34                                       

3 Исследование строения стекол                                                                             37

3.1 Исследование  строения стекол методом ИК-спектроскопии                   37

3.1.1 Интерпретация ИК-спектров стекла системы Na₂O-B₂O₃-SiO₂    37

3.1.2 Интерпретация ИК-спектров стекла после изотермического       отжига                                                                                                 39

3.1.3 Интерпретация  ИК-спектров стекла после отжига                          и химической обработки                                                                  41

3.2 Исследование строения стекол методом РЭМ                                           42

Заключение                      46

Библиографический список                             47                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                
 

     ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 
 

     ИКС – инфракрасная спектроскопия;

     РЭМ – растровая электронная микроскопия;

     ЭЛТ – электронно-лучевая трубка;

     ЭПР – электронный парамагнитный  резонанс;

     ЯМР – ядерный магнитный резонанс. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 
 

     Создание новых стеклообразных и керамических материалов является важной задачей современного материаловедения. Разработка технологии получения оксидных материалов с заданными свойствами требует всестороннего изучения их физико-химических и термодинамических свойств. Известно, что установление связи структура – свойство, является одной из важнейших задач химии и материаловедения.

     Интерес к исследованию боратных систем обусловлен их важностью для жидкой флюсовки радиоактивных отходов, поскольку они характеризуются высокой долей включения радиоактивных отходов и устойчивостью к радиолизу. Боросиликатные системы, содержащие катионы щелочных и щелочноземельных металлов характеризуются широкой областью ликвации (фазовой дифференциации). На основе боросиликатных систем возможно получение стекломатериалов с эффектом глушения, пористых стёкол, которые используются в качестве базовой матрицы для создания композитных материалов с заданными свойствами [8, с.1966].

     Пористое  кварцевое стекло может быть представлено как перколирующая структура двух взаимопроникающих фаз, а именно твердой и пористой решеток. Поры в стеклах соединяются между собой и достаточно однородны по размерам. Пористое стекло доступно в стандартных формах, таких как трубы, стержни, листы. Оно механически жесткое и прочное, не образует пыли, не шелушится и химически инертно. Пористое стекло часто используется для фильтрации и разделения различных соединений. Открытая система ячеек позволяет пропускать на выборочной основе только вещества, размер частиц которых меньше чем микроскопические поры. Пористое стекло также применяется для хранения отходов от атомной промышленности и используется в оптике. 
 
 
 

      1 СТЕКЛООБРАЗНЫЕ ВЕЩЕСТВА 
 

      Обычно  понятие «стекло» определяется не просто как материал, а как некоторое особое состояние твердого тела, стеклообразное состояние, противопоставляемое кристаллическому. Известно, что одно и то же вещество может быть газообразным, жидким и кристаллическим. Для каждого такого состояния характерна своя группа специфических признаков. Стекло же не может быть полностью отнесено по совокупности признаков ни к одному из них. Стекло есть твердотельное состояние аморфных веществ.

      Аморфные  вещества – это такие вещества, которые не имеют кристаллической структуры и в отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней. Аморфные вещества – изотропны, т.е. не обнаруживают различных свойств в разных направлениях. Также аморфные вещества не имеют определенной точки плавления.

      Стекло  – это такое состояние аморфного вещества, которое получается при затвердевании переохлажденной жидкости [3, с.6].

      Стекло  есть неорганический или органический продукт плавления, охлажденный до твердого состояния без последующей кристаллизации [6, с.4].

      Стекло  неравновесно по отношению к кристаллическому состоянию, которое может реализоваться при том же составе и при тех же внешних условиях. Отличие стекла от кристаллов состоит в отсутствии периодичности строения, в отсутствии дальнего порядка в структуре, т.е. повторения элементарной ячейки во всех трех направлениях. Элементарная ячейка состоит из некоторого числа атомов (ионов, молекул), строго определенным образом расположенных друг относительно друга [3, с.10].

      Аморфные  вещества в компактной форме принято  называть стеклообразными. Они образуются в результате стеклования расплава. Стеклование есть процесс постепенного перехода переохлажденной жидкости в стеклообразное состояние. Следовательно, нормальная переохлажденная жидкость и стекло – существенно различные понятия и характеризуют два состояния вещества. Область температур, в которой расплав (переохлажденная жидкость) стеклуется, называется интервалом стеклования. Одна из температур этого интервала, соответствующая особой точке на кривой температурной зависимости какого-либо свойства вещества (физической характеристики), условно принимается за его температуру стеклования. Последняя обозначается T_g по шкале Кельвина или t_g по шкале Цельсия. T_g обычно определяется в точке пересечения продолжения прямых участков на диаграмме зависимости длины отожженного образца от температуры или по точке излома зависимости объема стеклообразующего вещества от температуры (рисунок 1) [6, с.9].