Изучение структурных превращений легкоплавких стекол на основе оксидов свинца, кремния, бора с добавками меди, железа и марганца на микроуровне с помощью микроскопа «NANOEDUCATOR» | Статья в журнале «Юный ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 8 февраля, печатный экземпляр отправим 12 февраля.

Опубликовать статью в журнале

Библиографическое описание:

Боровских К. А., Демьянчук М. Н., Сарычева Н. А., Будаева Л. Н., Толочина О. Г., Зубкова И. Н. Изучение структурных превращений легкоплавких стекол на основе оксидов свинца, кремния, бора с добавками меди, железа и марганца на микроуровне с помощью микроскопа «NANOEDUCATOR» // Юный ученый. — 2015. — №1. — С. 63-66. — URL https://moluch.ru/young/archive/1/47/ (дата обращения: 26.01.2020).

Стекло — материал один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, — универсальный в практике человека. Стекло получают быстрым охлаждением вязкого расплавленного материала. Когда точно люди научились получать стекла точно неизвестно, а вот природные стекла появились с первыми вулканами, то есть миллиарды лет назад. Природные стекла — это застывшая лава, остывшая со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации компонентов расплава. Например, обсидианы являются вулканическим стеклом и бывают черного, серого, желтого, коричневого или красного цвета. Цвет стекол зависит исключительно от добавок. Если бы охлаждение и затвердевание расплавленной массы протекало достаточно медленно, образовалась бы горная порода, состоящая главным образом из кварца, полевого шпата и слюды. Все виды стёкол при формировании преобразуются от чрезвычайной вязкой жидкого до стеклообразного, а затем аморфного твердого состояния. Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами стеклообразующих расплавов (силикатами, боратами, фосфатами и др.) [1, 2].

Актуальность. Получить легкоплавкие стекла в лаборатории можно, если взять в необходимых соотношениях окись свинца (PbO), как основной компонент, оксид бора или борную кислоту (B2O3 или H3BO3) и кварц SiO2. В зависимости от пропорций, температура размягчения может изменяться от минимальной 484 °С до максимальной 714 °С. Образец для исследования размером 35×35 мкм. Получение таких стекол позволит использовать приборы в агрессивных средах и при различного рода внешних воздействиях. Все это должно способствовать повышению надежности и долговечности эксплуатации различных приборов, в которых применяют легкоплавкие стекла. Поэтому тема, на наш взгляд, очень актуальна.

Задачи:

-        Научиться получать чистые бор-силикатные стекла в лабораторных условия.

-        Изменять процентный состав смеси, включить в состав оксиды других металлов (меди, марганца, железа).

-        Наблюдать процессы стеклования.

-        Получить стекла разной формы и достаточно тонкие пленки, чтобы детально изучить их структуры с помощью сканирующего зондового микроскопа «Nanoeducator» в лаборатории лицея.

-        Изучить превращения структур на микроуровне.

-        Узнать больше об аморфном и кристаллическом строении твердых тел.

-        Связать кристалличность различных добавок, прозрачность и цвет.

Гипотеза

Добавление оксидов различных металлов в состав стекла влияет на его физические свойства

Объект: сканирующий зондовый микроскоп «NANOEDUCATOR»

Предмет: поверхности полученных стекол

Методы исследования: сканирующая зондовая и туннельная микроскопии.

Из литературных данных мы узнали, о необходимых соотношениях для получения легкоплавких стекол. Например, при соотношениях 84 % окиси свинца (PbO), 14 % оксида бора или борной кислоты (B2O3или H3BO3) и 4 % кварца SiO2 температура размягчения минимальна, около 484°С. На 2 % больше борной кислоты нужно брать на улетучивание. Опыты проводили в школьной лаборатории, смешивая соответственно компоненты для получения 2 гр. стекла и нагревая их в металлическом тигле с помощью газовой горелки и тщательно перемешивая [3, 4].

При достижении жидкого расплава получили образцы в виде капли на металлической подложке, который остывал до комнатной температуры. Металлическая подложка выбиралась так, чтобы образец затем можно было исследовать с помощью сканирующего зондового микроскопа.

Рис. 1. Образцы полученных стекол

 

Мы могли провести исследования полученных структур с помощью СЗМ «Nanoeducator». Поскольку стекла аморфные, то полученные изображения поверхности говорят не только о структуре поверхности, но и расположении атомов во всем материла, расположении зон аморфности и кристалличности [5, 6, 7].

На сканах поверхности чистого расплавленного оксида свинца мы видим формы кристаллитов самых разных размеров, которые отличаются от образцов с добавками..

Рис. 2. Образцы сканов расплавленного свинца

 

Таблица 1

Изменение морфологии стекла в зависимости от содержания оксидов меди, марганца и железа

№ образца

Изображение 2D

3D-модель

Описание образца

Образец № 4

82 % PbO

4 % SiO2

2 % CuO

14 % H3BO3

Размеры скана:

9,65 × 9,65 мкм

Средние размеры частиц ширина:

0,9 мкм,

Средний перепад высот: 1 мкм

Наибольшая высота: ≈1,5 мкм

Стекло черное

Образец № 5

84 % PbO

4 % SiO2

1 % CuO

13 % H3BO3

 

Размер скана:

9,65 × 9,65 мкм

Перепад высот не наблюдается

Размер частицы:

0,5 мкм

Стекло черное

Образец № 6

75 % PbO

18 % SiO2

2 % CuO

7 % H3BO3

 

Размер скана:

9,65 × 9,65 мкм

Средний перепад высот: ≈ 2 мкм

Наибольшая высота: ≈2,50 мкм

Средний размер крупных частиц:

≈ 3 мкм

Стекло черное

Образец № 7

75 % PbO

19 % SiO2

1 % CuO         

7 % H3BO3

Размер скана:

9,65 × 9,65 мкм

Средний перепад высот: ≈ 1 мкм

Наибольшая высота:

≈ 1,5 мкм

Средний размер частиц: ≈ 4 мкм

Стекло черное

Образец № 8

75 % PbO

17 % SiO2

1 % MnO2

9 % H3BO3

Размер скана:

9,65 × 9,65 мкм

Средний перепад высот: ≈ 23 нм

Наибольшая высота:

≈ 80 нм

Средний размер частиц:

≈ 2.4 мкм

Стекло темно зеленое

Образец № 9

75 % PbO

18 % SiO2

2 % MnO2

7 % H3BO3

Размер скана:

9,65 × 9,65 мкм

Средний перепад высот: ≈ 0,5 мкм

Наибольшая высота:

2 мкм

Средний размер частиц: ≈ 2 мкм

Стекло темно зеленое

Образец № 10

82 % PbO

4 % SiO2

2 % MnO2

14 % H3BO3

Размеры скана:

9,65 × 9,65 мкм

Средний перепад высот: ≈ 1,5 мкм

Наибольшая высота:

≈ 2 мкм

Средний размер частиц: ≈ 2 мкм

Стекло темно зеленое

 

Чем больше оксида кремния, тем более аморфным получается стекло, однако при этом растет и температура размягчения, так при содержании 27 % оксида кремния расплавить компоненты на горелке не удалось.

Хороший результат по изменению цвета получился именно с добавками оксидов меди. Медь является типичным минералобразователем, ее добавляют в состав для уменьшения температуры размягчения и изменения оптических свойств. На всех сканах мы видим частицы похожей формы, что позволяет предполагать их именно медьсодержащими частицами. На цвет основное влияние оказывают их количество и размер. Даже небольшая добавка оксидов железа заметно влияет на структуру аморфных стекол. Образовавшиеся кристаллики на поверхности занимают большой объем. Формы этих образований заметно отличаются от образований образцов без добавок и с добавками других металлов.

На полученных снимках мы видим, что даже небольшая добавка оксидов железа, марганца и меди заметно влияет на структуру аморфных стекол. Наибольшие изменения дают железо и медь, образовавшиеся кристаллики меди и железа на поверхности занимают большой объем. Формы этих образований заметно отличаются. Также по таким изображениям можно судить о качестве различных стекол, мы получили среднего качества, нужно было бы добиваться более равномерного нагревания и удаления пузырьков. Изменение в исходном составе диатомита на кварц никаких изменений поверхности не вызвало.

 

Литература:

 

1.         http://www.bitel.kg/mineraly-i-mineralogija/kamni/246-prirodnoe-steklo-obsidian.html — природное стекло

2.         http://n-t.ru/ri/kk/hm06.htm — Ю.Кукушкин. Химия вокруг нас. Стекло

3.         http://chem-waste.narod.ru — Получение бор-силикатных стекол

4.         http://www.kristallikov.net/page7.html — Цвет стекла. Оргстекло.

5.         З.Корякова, В.Битт — Легкоплавкие стекла //Компоненты и технологии № 5, 2004 г.

6.         Китайгородский А. И. Порядок и беспорядок в мире атомов.

7.         Кутолин С. А., Нейч А. И. Физическая химия цветного стекла — М.: Стройиздат, 1988г.

Основные термины (генерируются автоматически): стекло, размер скана, перепад высот, размер частиц, температура размягчения, сканирующий зондовый микроскоп, борная кислота, оксид бора, окись свинца, небольшая добавка оксидов железа.


Похожие статьи

Фотокаталитические свойства наноразмерного оксида цинка...

Оксид цинка может применяться в солнечных элементах, а также в качестве каталитических частиц и сенсоров при определении молекулярного состава газов. Одним из перспективных направлений практического приложения оксида цинка является создание на его основе...

Жаростойкие покрытия на основе системы SiC-B4C: синтез...

При температуре 450 ºС оксид кремния SiO2 начинает взаимодействовать с В2О3 с образованием боросиликатного стеклорасплава

Боросиликатные стекла с высоким содержанием оксида бора B2O3 имеют низкую химическую устойчивость в воде, а...

Жидкостекольные композиты специального назначения

легирующие добавки: оксид свинца ( ); барит ( ; удельная поверхность 170–180 ). Наполнитель, ускоритель твердения и добавки тщательно перемешивались, затем вводилось жидкое стекло при дополнительном перемешивании (3–5 мин) до однородности смеси.

Формирование пористых слоев на основе оксида алюминия для...

Пористый оксид алюминия (por-Al2O3) является одним из перспективным материалов для

Однако, такие структуры не подходят для биологических целей, так как размер молекул

Электрохимическое травление проводилось в электролите на основе фосфорной кислоты, при...

Исследование микроструктуры и сенсорных свойств...

Исследование микроструктуры и сенсорных свойств наноструктурированных слоев оксида цинка.

Исходя из всех экспериментальных данных следует, что оптимальный размер и распределение частиц наблюдается при температуре отжига 500 °С. Данный образец имеет...

Обзор методов нанесения кремниевых покрытий

Благодаря своим свойствам кремний находит применение в различных областях наука, промышленности и медицины. В настоящее момент разработаны физические (молекулярно-лучевую эпитаксию, магнетронное распыление, вакуумное дуговое испарение, ионно-лучевое...

Необходимость стратегического планирования в условиях...

Основные термины (генерируются автоматически): борная кислота, БОР, борный ангидрид, внутренняя среда, реализация продукции.

Например, при соотношениях 84 % окиси свинца (PbO), 14 % оксида бора или борной кислоты (B2O3или H3BO3) и 4 % кварца SiO2...

Оценка активности исходной ржавчины по фазовому составу при...

Основным продуктом окисления железа при атмосферной коррозии углеродистых сталей является гидроксид FeOOH, который кристаллизуется в нескольких модификациях. Фазовый состав ржавчины представлен α- FeOOH (гетит) и β- FeOOH (лепидокрокит).

Влияние наноразмерного цинкового порошка на защитные...

Изображения четырех оксидов цинка. В расчетах площади поверхности для оценки размера частиц оксида цинка используют метод анализа рассеяния света. Размер частиц должен измеряться в графе распределения с минимальным, максимальным и средним значением для...

Похожие статьи

Фотокаталитические свойства наноразмерного оксида цинка...

Оксид цинка может применяться в солнечных элементах, а также в качестве каталитических частиц и сенсоров при определении молекулярного состава газов. Одним из перспективных направлений практического приложения оксида цинка является создание на его основе...

Жаростойкие покрытия на основе системы SiC-B4C: синтез...

При температуре 450 ºС оксид кремния SiO2 начинает взаимодействовать с В2О3 с образованием боросиликатного стеклорасплава

Боросиликатные стекла с высоким содержанием оксида бора B2O3 имеют низкую химическую устойчивость в воде, а...

Жидкостекольные композиты специального назначения

легирующие добавки: оксид свинца ( ); барит ( ; удельная поверхность 170–180 ). Наполнитель, ускоритель твердения и добавки тщательно перемешивались, затем вводилось жидкое стекло при дополнительном перемешивании (3–5 мин) до однородности смеси.

Формирование пористых слоев на основе оксида алюминия для...

Пористый оксид алюминия (por-Al2O3) является одним из перспективным материалов для

Однако, такие структуры не подходят для биологических целей, так как размер молекул

Электрохимическое травление проводилось в электролите на основе фосфорной кислоты, при...

Исследование микроструктуры и сенсорных свойств...

Исследование микроструктуры и сенсорных свойств наноструктурированных слоев оксида цинка.

Исходя из всех экспериментальных данных следует, что оптимальный размер и распределение частиц наблюдается при температуре отжига 500 °С. Данный образец имеет...

Обзор методов нанесения кремниевых покрытий

Благодаря своим свойствам кремний находит применение в различных областях наука, промышленности и медицины. В настоящее момент разработаны физические (молекулярно-лучевую эпитаксию, магнетронное распыление, вакуумное дуговое испарение, ионно-лучевое...

Необходимость стратегического планирования в условиях...

Основные термины (генерируются автоматически): борная кислота, БОР, борный ангидрид, внутренняя среда, реализация продукции.

Например, при соотношениях 84 % окиси свинца (PbO), 14 % оксида бора или борной кислоты (B2O3или H3BO3) и 4 % кварца SiO2...

Оценка активности исходной ржавчины по фазовому составу при...

Основным продуктом окисления железа при атмосферной коррозии углеродистых сталей является гидроксид FeOOH, который кристаллизуется в нескольких модификациях. Фазовый состав ржавчины представлен α- FeOOH (гетит) и β- FeOOH (лепидокрокит).

Влияние наноразмерного цинкового порошка на защитные...

Изображения четырех оксидов цинка. В расчетах площади поверхности для оценки размера частиц оксида цинка используют метод анализа рассеяния света. Размер частиц должен измеряться в графе распределения с минимальным, максимальным и средним значением для...

Задать вопрос