Группа диффузионного формирования новых неорганических материалов

Изучение диффузионных процессов, позволяет решить ряд практических задач: ионообменное упрочнение и окрашивание стекол, при формировании оптических сред с закономерных распределением показателя преломления; формирование стеклокерамических покрытий для защиты металлов от воздействия агрессивных сред; утилизация радиоактивных отходов, путем их стеклования; так же проводятся исследования связанные с созданием биоактивных композиционных материалов на основе биологически активных металлатранов и пористых стекол в качестве базовых матриц.

Формирование боридных и силицидных фаз на образцах железа и титана в расплавах Na₂B₄O₇ и Na₂SiO₂ с добавками неорганических восстановителей

Установлено, что при борировании формируется одна либо две фазы, в зависимости от восстановителя — FeB и Fe₂B (на железе), и TiB₂ и TiB (на титане). Для всех полученных образцов, вне зависимости от времени термической обработки и типа используемого восстановителя, Н_v для FeB составляет 1500±60, для Fe₂B — 1280±60, для Fe — 90±10 кгс/мм², микротвердость диффузионных слоев на титане может изменяться в интервале от 350 до 1200 кг/мм². Показано, что при силицировании титана образуется фаза Ti₅Si₃.

a	b	c

Микрофотографии поверхности Fe после борирования (а, б) и Ti после силицирования (в) при 1000 °С в расплаве Na₂B₄O₇ и Na₂SiO₂, соответственно.

Ионообменное формирование неорганических мембран с канальной структурой.

Проведена ионообменная обработка пластин стекла 15K₂O-15BaO-70SiO₂ (мол.%) в расплаве NaNO₃ в интервале температур 350-500 °С при изотермической выдержке в течение 2−192 часов. Определена степень обмена и концентрационное распределение щелочных катионов, рассчитана концентрационная и температурная зависимость коэффициентов взаимной диффузии. Установлено, что при температуре обработки ниже 500 °С в стекле формируется структура с размерами пор в диапазоне 10-1000 нм. Пористость образцов, полученных при разных режимах ионообменной обработки, изменяется от 0.025 до 0.070 см³/г.

a a	б
a	b

Поверхность K₂O—BaO‑SiO₂ стекла после обработки в расплаве нитрата натрия при 400 ^оC в течение 4 часов
(а – электронная микрофотография, б – АСМ-изображение)

Электродиффузия одновалентных катионов в натриевосиликатном стекле

Изучена кинетика взаимодействия стекла 20Na₂O∙80SiO₂ (мол.%) с расплавами нитратов серебра, калия, рубидия и цезия в отсутствии и при наложении постоянного электрического поля. Определены коэффициенты взаимной диффузии, значения электрической подвижности одновалентных катионов, параметры температурной зависимости. Установлено, что в отличие от коэффициентов диффузии электрическая подвижность не зависит от размера и химической природы катиона и определяется подвижностью ионов входящих в состав исходного стекла. Модели, основанные на уравнение Нернста – Эйнштейна, не пригодны для описания кинетики формирования диффузионной зоны при электродиффузии, приводящей к существенному изменению химического состава.

Концентрационные профили оксидов серебра, калия и рубидия после взаимодействия стекла 20Na2O∙80SiO2 с расплавами AgNO3, KNO3 и RbNO3 при наложении электрического поля напряженностью 50 В/см. Температура-400 оС. Время 1 ч.	Концентрационная зависимость коэффициентов взаимной диффузии процессов ионного обмена Na⇔Ag, Na⇔K, Na⇔Rb , и при 400 °С. Точки 1, 2, 3- коэффициенты диффузии 110Ag, 42K и 86Rb в стекле 20Na2O∙80SiO2. Точки 4, 5 коэффициенты диффузии 22Na в стеклах.

Изучение диффузионных процессов, позволяет решить ряд практических задач: ионообменное упрочнение и окрашивание стекол, при формировании оптических сред с закономерных распределением показателя преломления; формирование стеклокерамических покрытий для защиты металлов от воздействия агрессивных сред; утилизация радиоактивных отходов, путем их стеклования; так же проводятся исследования связанные с созданием биоактивных композиционных материалов на основе биологически активных металлатранов и пористых стекол в качестве базовых матриц.

Формирование боридных и силицидных фаз на образцах железа и титана в расплавах Na₂B₄O₇ и Na₂SiO₂ с добавками неорганических восстановителей

Установлено, что при борировании формируется одна либо две фазы, в зависимости от восстановителя — FeB и Fe₂B (на железе), и TiB₂ и TiB (на титане). Для всех полученных образцов, вне зависимости от времени термической обработки и типа используемого восстановителя, Н_v для FeB составляет 1500±60, для Fe₂B — 1280±60, для Fe — 90±10 кгс/мм², микротвердость диффузионных слоев на титане может изменяться в интервале от 350 до 1200 кг/мм². Показано, что при силицировании титана образуется фаза Ti₅Si₃.

a	b	c

Микрофотографии поверхности Fe после борирования (а, б) и Ti после силицирования (в) при 1000 °С в расплаве Na₂B₄O₇ и Na₂SiO₂, соответственно.

Ионообменное формирование неорганических мембран с канальной структурой.

Проведена ионообменная обработка пластин стекла 15K₂O-15BaO-70SiO₂ (мол.%) в расплаве NaNO₃ в интервале температур 350-500 °С при изотермической выдержке в течение 2−192 часов. Определена степень обмена и концентрационное распределение щелочных катионов, рассчитана концентрационная и температурная зависимость коэффициентов взаимной диффузии. Установлено, что при температуре обработки ниже 500 °С в стекле формируется структура с размерами пор в диапазоне 10-1000 нм. Пористость образцов, полученных при разных режимах ионообменной обработки, изменяется от 0.025 до 0.070 см³/г.

a	б
a	b

Поверхность K₂O—BaO‑SiO₂ стекла после обработки в расплаве нитрата натрия при 400 ^оC в течение 4 часов
(а – электронная микрофотография, б – АСМ-изображение)

Электродиффузия одновалентных катионов в натриевосиликатном стекле

Изучена кинетика взаимодействия стекла 20Na₂O∙80SiO₂ (мол.%) с расплавами нитратов серебра, калия, рубидия и цезия в отсутствии и при наложении постоянного электрического поля. Определены коэффициенты взаимной диффузии, значения электрической подвижности одновалентных катионов, параметры температурной зависимости. Установлено, что в отличие от коэффициентов диффузии электрическая подвижность не зависит от размера и химической природы катиона и определяется подвижностью ионов входящих в состав исходного стекла. Модели, основанные на уравнение Нернста – Эйнштейна, не пригодны для описания кинетики формирования диффузионной зоны при электродиффузии, приводящей к существенному изменению химического состава.

Концентрационные профили оксидов серебра, калия и рубидия после взаимодействия стекла 20Na2O∙80SiO2 с расплавами AgNO3, KNO3 и RbNO3 при наложении электрического поля напряженностью 50 В/см. Температура-400 оС. Время 1 ч.	Концентрационная зависимость коэффициентов взаимной диффузии процессов ионного обмена Na⇔Ag, Na⇔K, Na⇔Rb , и при 400 °С. Точки 1, 2, 3- коэффициенты диффузии 110Ag, 42K и 86Rb в стекле 20Na2O∙80SiO2. Точки 4, 5 коэффициенты диффузии 22Na в стеклах.