Физика и химия стекла

Разработаны составы и методика изготовления композиционных материалов для удаленных фотолюминесцентных преобразователей светодиодного излучения на основе кварцевого стекла и ультрадисперсных порошков иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами церия (Y₃Al₅O₁₂ : Ce³⁺). Оптимизированы условия синтеза граната методом термохимических реакций (горения) азотнокислых солей в лимонной кислоте и получены агломерированные порошки с размерами первичных частиц 0.8–12.3 мкм для реакции с недостатком кислоты и в пределах от 49 до 207 нм для синтеза в условиях избытка лимонной кислоты. Изучены физико-химические, структурные и спектрально-люминесцентные характеристики порошкообразных образцов и композитов «кварцевое стекло – легкоплавкое стекло – люминофор», сформированных при пониженных температурах спекания (650–700 °С). Показано, что при подсветке композиционной пластины синим светодиодом (λ_max = 455 нм) визуально фиксируется пятно белого света, формируемое из комбинации рассеянного синего излучения и желтого, возбуждаемого в частицах YAG : Ce³⁺ (λ_max = 560 нм).

Объектом исследования являются боросиликатные стекла с раздельным и совместным включением оксидов Cs и/или Sr в количестве 5, 10 и 15 мас. %, которые могут быть использованы в схеме фракционирования жидких высокоактивных отходов от переработки отработанного ядерного топлива. При изучении физико-химических, теплофизических и механических свойств синтезированных стекол основное внимание уделялось их соответствию критериям качества, установленным в нормативном документе НП-019-15. Исследования стекол методом спектроскопии комбинационного рассеяния показали, что их структура меняется незначительно относительно структуры исходной стеклофритты. Исключением стало стекло с включением 15 мас. % Cs₂O, на КР-спектрах которого появились новые полосы, а также происходило увеличение его молярного объема и уменьшение температуры стеклования. Однако эти изменения практически не отразились на теплофизических и механических характеристиках. Полученные данные показали, что свойства стекол в изученном интервале концентраций оксидов Cs и/или Sr удовлетворяют действующим критериям качества продукта в виде остеклованных концентратов ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr после фракционирования жидких ВАО.

Разработаны научные основы синтеза прекурсоров наноструктурированных оксидных систем Al₂O₃–ZrO₂–Ln_xO_y (Ln = Dy, Nd). Изучены особенности их формирования в условиях быстрого смешения электрогенерированных реагентов, реализуемого в бездиафрагменном коаксиальном реакторе-электролизере. Методами потенциодинамических поляризационных кривых, рентгеновской дифрактометрии, рентгенофлуоресцентного, синхронного термического анализов и лазерной дифракции исследованы анодные процессы, протекающие в электролизере, морфология сформированных в растворе и трансформируемых в процессе термообработки частиц, фазовый, гранулометрический и элементные составы прекурсоров и оксидных систем. Предлагаемый подход позволяет получать модифицированные редкоземельными элементами оксидные системы на основе бинарной системы Al₂O₃–ZrO₂, характеризующиеся наличием в них стабилизированной фазы тетрагонального диоксида циркония. Присутствующие в исследуемых системах атомы РЗЭ – Nd и Dy – стабилизируют t-ZrO₂ и, по всей видимости, занимают позиции узлов кристаллической решетки, изоморфно замещая Zr⁴⁺. На последнее указывает уширение соответствующих рефлексов рентгеновских дифрактограмм. Оно косвенно указывает и на наличие микронапряжений в микрокристаллах фаз. Последние могут быть вызваны искажениями кристаллических решеток оксидов алюминия и циркония в результате замещения атомов металлов атомами РЗЭ.

В настоящее время перспективным направлением считается создание многофункционального покрытия на основе углеродных наноматериалов, в частности обладающего защитными биоцидными свойствами. Особый интерес представляет защита поверхностей материалов от разрушения микромицетами-деструкторами. В исследовании приведены данные о взаимодействии наноматериалов марки «Таунит-М» (многостенные углеродные нанотрубки), луковичных углеродных наноструктур и «Tuball» (одностенные углеродные нанотрубки) с микромицетами-деструкторами. Изучено влияние данных материалов, использованных в составе покрытия, на процессы обрастания поверхности микромицетами-деструкторами. Исследован рост штамма Penicillium chrysogenum (Cs/21) и штамма Aspergillus niger (Ch4/07) на чистых углеродных нанотрубках, нанотрубках функционализированных -ОН, -СООН и -СОNН₂ группами, а также углеродных нанотрубках, декорированных луковичными углеродными наноструктурами, детонационными наноалмазами, нанокристаллами диоксида титана. Образцы были выполнены в виде сверхгидрофобного покрытия из ксерогеля на основе наночастиц. Наибольшую стойкость проявили покрытия из функционализированных многостенных углеродных нанотрубок марки «Таунит-M» с -ОН, -СООН и -CONH₂ группами, а также декорированных диоксидом титана и детонационными наноалмазами. Развитие микромицетов на их поверхности отсутствовало во всех вариантах испытаний. В этих покрытиях отсутствуют источники питания для микромицетов, а присутствуют компоненты, обладающие биоцидными свойствами. Таким образом, они могут считаться биостойкими. Исследованные углеродные наноматериалы предлагается использовать для организации защитных сверхгидрофобных покрытий, так как они выпускаются в промышленных объемах, и легко доступны для проведения сравнительных исследований.