CC BY
26
the sample, which properties are the nearest to claims, very fast. This complex of engeneering methods will reduce the development's cost. This paper contains achievements of JSC "Scientific research institute of steel" in computational analysis of textile, composite, ceramic and combined armour.
Key words: textile armour, composite armour, ceramic armour, combined armour.
Bespalov Ivan Alexandrovich, candidate of technical sciences, head of department, mailaniistali. ru, Russia, Moscow, JSC "Scientific research institute of steel"
УДК 535.37
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СТАННАТА КАЛЬЦИЯ СА8Ш3: УБ3+, ЕЯ3+, НО3+ В ОБЛАСТИ 2000 НМ ПРИ ИК-ВОЗБУЖДЕНИИ
У. А. Марьина, В. А. Воробьев, А.П. Марьин, Р.В. Пигулев
Твердофазным методом получен люминофор на основе станната кальция CaSnO3, активированный редкоземельными ионами УЪ3+, Ег3+, Но3+, который при возбуждении лазером с длиной волны 960 нм обладает стоксовой люминесценцией в области 1000...2000 нм и слабой антистоксовой люминесценцией в видимой области спектра. Предложена схема энергетических переходов в ионах активаторов. Предложен способ повышения интенсивности люминесценции полученного люминофора в области 2000 нм путем введения примесей цинка.
Ключевые слова: люминофоры, редкоземельные элементы, станнаты, люминесценция, иттербий, эрбий, гольмий.
Разработка и исследование новых, а также совершенствование уже известных люминесцентных материалов для различных областей науки и техники является важной задачей. К настоящему моменту наибольшая часть научно-исследовательских работ посвящена изучению стоксовых и антистоксовых люминофоров, излучающих в видимой области спектра. Между тем, большой интерес представляют также люминофоры, излучающие в ИК-диапазоне [1, 2]. Люминофоры такого типа могут использоваться в различных областях человеческой деятельности (рис. 1).
Рис. 1. Области применения ИК-люминофоров
413
Перспективными для создания ИК-люминофоров могут быть перов-скитоподобные станнаты щелочноземельных металлов с шириной запрещенной зоны 3,0...4,62 эВ и энергией фононов не более 700 см-1 [3]. Эти соединения широко применяются в изготовлении полупроводниковых и диэлектрических материалов, магнитов и ферромагнитов, высокотемпературных сверхпроводников. При легировании их примесными атомами они способны сильно изменять свои оптико-физические свойства, благодаря чему их активно используют в создании новых технологических материалов, например, прозрачных проводящих оксидов и люминофоров.
Люминесцентные свойства станната кальция Са8п03 изучены мало. Большинство публикаций посвящены исследованию их люминесценции в видимой области спектра. В нескольких работах исследуется люминесценция Са8п03 в области 800.1600 нм [4, 5]. В области более длинных волн люминесценция практически не исследовалась. В связи с этим целью научно-исследовательской работы было изучение люминесценции станната кальция в области около 2000 нм.
Для достижения поставленной цели предполагалось решение следующих задач: подбор необходимых активаторов и метода синтеза, разработка процесса получения требуемых люминесцентных составов, корректировка параметров синтеза и концентраций исходных компонентов.
Для синтеза неорганических люминофоров на основе станната кальция Са8п03 выбран твердофазный метод, поскольку он отличается своей простотой, доступностью и не требует оснащения дорогостоящим оборудованием. В качестве основных компонентов шихты использовали СаС03 и 8п(0И)2, последний получали отдельно из хлорида олова 8пС12-2Н2О методом осаждения, что позволило получить более чистый реактив и повысило интенсивность люминесценции исследуемых люминофоров. Активаторы вводились в шихту в виде растворов нитратов РЗЭ: УЬ(К03)3, Ег(К03)3, Ыо(К03)3. Дополнительно в шихту люминофора вводились плавни: хлорид олова 8пС12^2Н2О в количестве 3 %, а также карбонат лития Ы2С03 в количестве 2 %.
Прокалка всех образцов осуществлялась на воздухе, для этого алун-довые тигли с шихтой помещались в кварцевый тигель, накрывались крышкой и загружались в высокотемпературную печь. По результатам проведенных исследований [6] наиболее оптимальный режим для формирования структуры станната кальция Са8п03 составляет 18 часов при температуре 1250 оС.
Полученные таким образом экспериментальные образцы были исследованы методом рентгенофазового анализа с использованием рентгеновского дифрактометра «ДИФРЕЙ 401» (СиКа-излучение №-фильтр) (рис. 2).
Из рис. 2 видно, что основные характерные пики принадлежат фазе Са8п03. Редкоземельные ионы имеют радиусы, близкие к радиусу ионов кальция: Са2+=0,99А, УЬ3+=0,86 А, Ег3+=0,89 А, Ио3+=0,91 А [7]. Встраиваясь
в решетку основания Са8пО3, они частично замещают ионы кальция Са2+в узлах кристаллической решетки. Изоморфизм ионов активаторов и ионов кальция приводит к тому, что на рентгенограммах все образовавшиеся фазы накладываются и распознаются как одна фаза Са8пО3.
Угол teta.0
Рис. 2. Дифрактограмма люминофора СаЯпОз: Yb3+,EiJ+, Но3+
Ионы Yb3+ и Er3+ вводились в концентрациях, обеспечивающих максимальную интенсивность ИК-люминесценции по результатам исследования двухактиваторной системы «CaSnO3:Yb3+,Er3+» [8]. Концентрация ионов Но3+ изменялась в пределах от 0,0005 до 0,1 атомных долей.
Для исследования спектров возбуждения и люминесценции использовали монохроматор МДР-204 и фотоэлектронные умножители (ФЭУ-62, ФЭУ-100). Спектры возбуждения снимали для полосы излучения с длиной волны 989 нм. Согласно проведенным ранее исследованиям [9] максимум возбуждения соответствует диапазону длин волн от 955 до 980 нм. В связи с этим для возбуждения люминесценции в дальнейшем использовали полупроводниковый лазерный диод с длиной волны 960 нм.
На спектрах люминесценции образцов CaSnO3:Yb3+,Er3+,Ho3+ наблюдается слабая антистоксовая люминесценция в видимой области с максимумами 545 и 660 нм. В ИК-диапазоне зарегистрированы люминесцентные пики с максимумами около 996, 1194, 1550 и 1950 нм (рис.3).
Излучение в этих полосах соответствует следующим энергетическим переходам:
- полоса 996 нм соответствует переходу 2F5/2—^2F7/2 в ионе Yb3+,
- полоса 1194 нм соответствует переходу 5I6—5I8 в ионе Ho3+,
- полоса 1550 нм соответствует переходу 4I13/2—4I15/2 в ионе Er3+,
- полоса 1950нм соответствует переходу 5I7—5I8 в ионе Ho3+.
С ростом концентрации ионов Но3+ интенсивность люминесценции в полосах, принадлежащих ионам Yb3+ и Er3+, падает, а интенсивность в полосах, принадлежащих ионам Ho3+, наоборот, возрастает. Это связано с тем, что ионы Yb3+ и Er3+ выступают в роли сензибилизаторов по отношению к
ионам Но3+. На схематической диаграмме (рис. 4) представлены энергетические переходы, которые возникают в системе «Са8п03:УЬ3+, Ег3+,Но3+» при возбуждении лазером с длиной волны 960 нм.
а" 2200 | 2000
д 18оо
| 1600
| д 1400
Л 3 1200 5 °
0 1000
а 800
£ боо
1 400 200
о
Рис. 3. Спектр люминесценции СаЯпОз: IIо3
в диапазоне 1000...2150 нм при различных концентрация ионов Но3+
Длина волны,нм
25
20
-<15
§"!0 х
О
5Е, ^ —г и 2' 3 I
"К
Г 4 5,
*
—
1 Г
«/-) т VI 1 X ГО 1/-1 ю г 1 й V) г-- § ' 1 1 о V"! о\ Г 1
N \ ' \ 1 ' \ \ /
* < / \ I \ I
1—Г
Л 1
I
м '
М1
2 7/2 ;4?11Д
3/2
9/2
Но5
У1>
Ег
Рис. 4. Схематическая диаграмма механизма передачи энергии между ионами Yb3+, Ег3+, Но3+ в системе CaSnOз:Yb3+,Er3+,Ho3+ при возбуждении излучением с длиной волны 960 нм
Энергетический зазор между возбужденными состояниями в ионах УЬ3+, Ег3+, Но3+сопоставим с энергией фононов в станнате кальция, которая составляет около 700 см-1. В связи с этим может происходить передача энергии между этими ионами.
В результате проведенных исследований концентрационной зависимости интенсивности люминесценции для полосы 2000 нм установлены концентрации активаторов, обеспечивающие максимум излучения диапазоне УЬ=0,05, Ег=0,02, Но=0,007 атомных долей.
416
Повысить интенсивность люминесценции соединения Са8пО3: УЬ3+, Ег3+, Но3+ в полосе 2000 нм удалось путем введения примеси 7пО в состав люминофора (рис. 5). При этом часть ионов олова 8п4+ в формуле люминофора заменялась на ионы 7п2+.
100 ooo
% 90 000
M ao ooo
и
О
„ 70 000-
л
Li 60 090
m
ГП И ООО
к
u V 40 000
30 090
К
20 ООО
10 000
0-
f "J
. _ Jy--- без Zn+2
Длина волны, нм
Рис. 5. Спектр люминесценции образцов люминофора Са8пОз:УЬ3+,Ег3+,Ио3+с цинком и без цинка в диапазоне 1800...2200 нм при возбуждении лазером с длиной волны 960 нм
Установлено, что введение в структуру CaSnO3:Yb3+,Er3+,Ho3+ ионов Zn2+ вызывает гашение люминесценции в видимой области спектра, которое усиливается с ростом концентрации цинка. В полосе 2000 нм (Ho3+) наибольшее усиление люминесценции наблюдается при концентрации ионов Zn2+ 0,6 атомных долей.
Полученные ИК-люминофоры, а также комбинации редкоземельных ионов могут найти применение в приборах и устройствах, излучающих в инфракрасном диапазоне, в различных оптических преобразователях [10]. Результаты работы были использованы в производственном процессе на предприятии ООО «НПФ «ЛЮМ» и в учебном процессе кафедры технологии наноматериалов Инженерного института СКФУ.
Список литературы
1. Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика: теория и практика / пер. с англ. М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2008. 98 с.
2. Шахно Е.А. Физические основы применения лазеров в медицине. Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2012. 129 с.
3. Vibrational and thermodynamic properties of orthorhombic CaSnO3 from DFT and DFPT calculations / E. Moreira, C.A. Barboza [et al.] // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2015. V. 77. P. 85 - 91.
4. Visible to infrared low temperature luminescence of Er3+, Nd3+ and Sm3+ in CaSnO3 phosphors / V.O. Gordo, Y.T. Arslanli, A. Canimoglu // Applied Radiation and Isotopes. 2015. V. 99. P. 69 - 76.
417
5. Pang X.L. Bright white upconversion luminescence from Er3+-Tm3+-Yb3+ doped CaSnO3 powders // Optical Materials. 2011. V. 34. P. 234-238.
6. Марьина У. А., Воробьев В. А., Марьин А. П. Синтез системы CaSnO3: Yb3+, Er3+, Но3+ и исследование ее люминесцентных свойств при ИК-возбуждении // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2017. Т. 20. № 1. C. 43-48.
7. Revised Ionic Radii of Lanthanoid (III) Ions in Aqueous Solution / P. D'Angelo, A. Zitolo, V. Migliorati // Inorganic Chemistry. 2011. V. 50. 4572 - 4579.
8. Марьина У.А., Марьин А.П., Воробьев В.А. Синтез и исследование люминесцентных свойств CaSnO3:Yb3+,RE3+ (RE=Er, Ho,Tm) // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. Ставрополь, 2017. № 2(59). С. 21 - 26.
9. Марьина У.А., Воробьев В.А. Исследование люминесцентных свойств станната кальция CaSnO3, активированного ионами редкоземельных металлов // Вестник Северо-Кавказского федерального университета: Ставрополь. 2016. № 4(55). С. 36 - 41.
10. Твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой ближнего и среднего ИК-диапазонов спектра (2 мкм, 3.8 мкм) на основе кристаллов и керамик, активированных ионами Tm и Ho: отчет о НИР / ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарёва»; рук. П.А. Рябочкина; испол.: О.Л. Антипов, Е.В. Чупрунов, Е.Е. Ломонова. Саранск, 2012. 83 с.
Марьина Ульяна Андреевна, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, iimarinaancfii.ru, Россия, Ставрополь, ООО «НПФ «ЛЮМ»,
Воробьев Виктор Андреевич, д-р техн. наук, ст. науч. сотрудник, директор, lum.npfagmail.com, Россия, Ставрополь, ООО «НПФ «ЛЮМ»,
Марьин Александр Петрович, аспирант, зам. главного технолога, kosmostechayandex.ru, Россия, Ставрополь, ООО «НПФ «ЛЮМ»,
Пигулев Роман Витальевич, канд. техн. наук, и.о. зав. кафедрой, rpigulevancfii.ru, Россия, Ставрополь, Северо-Кавказский федеральный университет
RESEARCH OF THE LUMINESCENCE OF STANNATE OF CALCIUM CASNO3: YB3+, ER3+, HO3+ IN THE FIELD OF 2000 NMATIR-EXCITATION
U.A. Maryina, V.A. Vorobyev, A.P. Maryin, R. V. Pigulev
Solid-phase method of the obtained phosphor-based stannat calcium CaSnO3, activated by rare-earth ions Yb3+, Er3+, Ho3+, which when excited by a laser with a wavelength of 960 nm and has a Stokes luminescence in the re-gion of 1000-2000 nm and a weak anti-Stokes luminescence in the visible re-gion of the spectrum. A scheme of energy transitions in activator ions is pro-posed. A methodfor increasing the luminescence intensity of the resulting phosphor in the region of2000 nm by introducing zinc impurities is proposed.
418
Key words: luminophors, rare earths, strontium thiogallate, luminescence, ytterbium, erbium, holmium.
Maryina Ulyana Andreevna, candidate of technical sciences, senior researcher, uma-rina@ncfu.ru, Russia, Stavropol, PLC «LUM»,
Vorobyev Victor Andreevich, doctor of technical Sciences, senior re-searcher, director, lum.np_f@,gmail.com, Russia, Stavropol, PLC «LUM»,
Maryin Alexander Petrovich, postgraduate, deputy chief technologist, kosmostech@yandex.ru, Russia, Stavropol, PLC «LUM»,
Pigulev Roman Vitalyevich, candidate of technical sciences, head of chair, rpig-ulev@ncfu.ru, Russia, Stavropol, North Caucasian Federal University
УДК 621.90.02
ИНДУСТРИЯ 4.0 ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ
А.В. Ковалев
Рассмотрены комплексные решения, позволяющие повысить эффективность технического обслуживания на основе анализа динамических процессов, связанных с эксплуатацией оборудования. Сбор, хранение и анализ данных осуществляются в среде Индустрия 4.0. Автоматизация работы ремонтных служб позволяет снизить количество внеплановых ремонтов, улучшить качество обслуживания и степень надежности оборудования.
Ключевые слова: техническое обслуживание, износ, индустрия 4.0, прогнозирование, тренд, диагностика, цифровая среда.
Неоспоримо высокий потенциал имеет цифровое производство при проведении работ по техническому обслуживанию. Современные технологии позволяют собирать информацию в режиме реального времени, хранить её без ограничений и анализировать. Своевременно полученная и проанализированная информация о фактическом состоянии оборудования позволяет оперативно корректировать межремонтные периоды, распределять людские и финансовые ресурсы по необходимости. Таким образом, основная задача состоит в оцифровке состояния оборудования и периода его возможной эксплуатации.
Срок эксплуатации металлорежущего оборудования определяется износом его узлов вследствие длительно действующих нагрузок или разрушения поверхностного слоя при трении. Скорость износа напрямую зависит от условий и режимов эксплуатации, износостойкости материала, характера смазки трущихся поверхностей, удельных нагрузок и скорости
