CC BY
13
Секция
«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»
УДК 546.873'284
РАССЛАИВАНИЕ РАСПЛАВА В СИСТЕМЕ Bi2O3-SiO2
Т. В. Бермешев1, В. П. Жереб1, 2
Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: vpzhereb@rambler.ru
Исследовано влияние температуры начала охлаждения при закаливании расплава, содержащего 50 мол.% Bi2O3 и 50 мол.% Si02, на фазовый состав, макро- и микроструктуру образующихся продуктов затвердевания. С помощью рентгенофазового анализа, оптической и растровой электронной микроскопии в системе Bi2O3-SiO2 по результатам локального рентгеноспек-трального анализа при температуре 1180 °С обнаружено расслаивание расплава.
Ключевые слова: несмесимость расплава, закалка расплава, элементный анализ, система Bi2O3-SiO2
THE IMMISCIBILITY OF THE MELT IN Bi2O3-SiO2 SYSTEM
T. V. Bermeshev1, V.P. Zhereb1, 2
1Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: vpzhereb@rambler.ru
The effect of the onset temperature of cooling upon quenching a melt containing 50 mol. % Bi2O3 and 50 mol.% SiO2 on the phase composition, macro- and microstructure of the resulting solidification products was investigated. Using X-ray phase analysis, optical and scanning electron microscopy in the Bi2O3-SiO2 system, immiscibility of the melt was detected according to the results of local X-ray spectral analysis at a temperature of 1180 °C.
Keywords: immiscibility of the melt, quenching the melt, elemental analysis, Bi2O3-SiO2 system
Введение. Фазовые отношения в системе Bi2O3-SiO2 представляют интерес в связи с образованием в состоянии стабильного равновесия двух силикатов висмута: Bi12SiO20 с кристаллической структурой силленита (КСС) и Bi4Si3O12 с кристаллической структурой эвлитина (КСЭ). Силикат висмута с КСС, являясь пьезоэлектриком, успешно конкурирует с аналогичным герма-натом висмута. Сочетание электрооптических свойств с высокими характеристиками фотопроводимости сделали силикат висмута с КСС лучшим материалом для оптических модуляторов на эффекте Поккельса - PROM, устройств для оперативной обработки оптической информации в режиме реального времени, перспективных в современных системах искусственного интеллекта. Силикат висмута с КСЭ по многим характеристикам, в частности, по светочувствительности и быстродействию превосходить широко применяемый в технике высоких энергий сцинтиллятор -
Секция «Концепции современного естествознания»
германат висмута Bi4Ge3Üi2, однако технологические сложности получения оптически совершенных монокристаллов аналогичного силиката висмута сдерживают его практическое применение.
В состоянии метастабильного равновесия в этой системе образуются твердые растворы на основе высокотемпературной 5-Bi2O3 (5*-твердые растворы) и силикат висмута Bi2SiÜ5 со слоистой кристаллической структурой типа Ауривиллиуса (КСА). Силикатные 5*-твердые растворы являются суперионными твердыми электролитами и перспективны для разнообразных электрохимических устройств. Метастабильный силикат висмута Bi2SiÜ5 с КСА среди метастабильных фаз этой системы занимает особое место - он является весьма перспективным фотокатализатором и сцинтиллятором, перспективен как катализатор для окислительной димеризации метана; является альтернативой свинецсодержащим оксидным сегнетоэлектрикам, обладает высокой способностью к удалению ионов тяжелых металлов.
Для всех применений перспективным методом получения как стабильных, так и метастабильных материалов, а также стекол является охлаждение расплава в различных условиях [1]. В работах [2, 3 ] авторы указывают на расслаивание расплавов в системе Bi2O3 - SiO2, не приводя составы сосуществующих фаз. В работе [4] несмесимость расплава не отмечена.
Цель данной работы - исследовать состояние расплава, содержащего эквимолярное соотношение Bi2O3 и SiO2 с помощью закалки - охлаждения его в платиновом тигле в воде.
Исходные реагенты - оксид висмута (III) в а-модификации квалификации ос.ч. и аморфный оксид кремния (IV) полупроводниковой чистоты, после смешения в эквимолярном отношении нагревали в платиновом тигле на воздухе в печи сопротивления (LMV 02/12) до температуры 1180°С со скоростью ~20 град/мин и выдерживали в изотермических условиях 1 час. После закалки и охлаждения до комнатной температуры у затвердевшего образца в тигле фотографировали макроструктуру поверхности (стереоскоп Stemi 2000, Carl Zeiss), исследовали микроструктуру на шлифах извлеченных из тигля образцов после шлифовки, полировки и травления (оптический микроскоп Carl Zeiss Axio Observer A1m), а также с помощью растрового электронного микроскопа TM-3000 (Hitachi) определяли локальный элементный состав. Рентгенофазовый анализ (РФА) порошка полученных образцов проводили на дифрактометре Shimadzu XRD 6000 (Cu Ка-излучение).
Элементный состав расслаивающихся стекол
Содержание, ат. % Bi Si O
Светлая фаза 23,0 13,0 64,0
Темная фаза 20,0 13,1 66,9
Рентгенофазовый анализ показал, что продукты затвердевания - стекло, однако оптическая микроскопия позволила выделить в образцах два вида стекла - более темное и прозрачное светлое, которые образуются как результат несмесимости расплава. Локальный рентгеноспектраль-ный анализ показал существенное отличие в элементном составе стекол разного цвета (Таблица).
Библиографические ссылки
1. Жереб В.П. Метастабильные состояния в оксидных висмутсодержащих системах. М.: МАКС Пресс, 2003. 163 с.
2. Topping J. A., Cameron N., Murthy M. K. Properties and Structure of Glasses in the System Bi2O3-SiO2-GeO2 // Journal of The American Ceramic Society. 1974. Vol. 57. No. 12. P. 519-521.
3. Guo H. Crystallization Kinetics of Bi2O3-SiO2 Binary System // Advances in Glass Science and Technology. Ed. Sglavo V.M. 2018. P. 61-76.
4. Onderka B., Fitzner K., Kopyto M., Przybylo W. Thermodynamics of Bi2O3-SiO2 system // J. Min. Metall. Sect. B-Metall. 2017. 53(3) B. 223 - 231.
© Бермешев Т. В., Жереб В. П., 2019
