Реферат: Синтез твердых растворов и исследования низкотемпературных фазовых превращений

Бездиффузионные процессы. Это процессы, происходящие за счет коллективных перегруппировок атомов на расстояния порядка межатомных (например мартенситное и массивное превращения).

Вывод о протекании процесса по тому или иному механизму можно сделать исходя из морфологии полученного продукта по данным электронной или оптической микроскопии.

3. Экспериментальная часть.

3.1. Синтез твердых растворов Bi₂ O₃ -CaO.

Для первой стадии эксперимента в качестве исходных веществ были взяты оксид висмута (Bi₂ O₃ ) и карбонат кальция (CaCO₃ ) в мольных соотношениях Bi₂ O₃ /CaCO₃ - 0.96:0.04, 0.9:0.1, 0.8:0.2, 0.76:0.24, 0.7:0.3, 0.6:0.4, 0.5:0.5. Квалификация всех исходных препаратов была не ниже “ч.д.а.”. Реагенты смешивались для получения как можно более однородной смеси, после чего прокаливались на воздухе при температуре 750С в течение 24 часов в трубчатой печи с последующим рентгенофазовым анализом полученных образцов. В ходе реакции

0.5(1-х) Bi₂ O₃ + х CaCO₃ ==Bi_1-х Са_х О_1.5-0.5x + х CO₂ (спекание при 750С, 24 часа)

выделялся углекислый газ (CO₂ ) и образовывался желтый порошок. Для неоднофазных, по данным РФА , образцов цикл “помол-отжиг” был повторен при тех же условиях.

Полученный в результате предыдущей стадии эксперимента порошок состава Bi_1-x Ca_x O_y (х = 0.02, 0.05) был растворен в разбавленном растворе азотной кислоты (30%) и упарен на горелке до начала выделения BiONO₃ в виде тонкой пленки на поверхности раствора:

Bi(NO₃ )₃ = BiONO₃ + 2 NO₂ + 0.5 O₂

После этого был произведен так называемый “бумажный синтез” [11] : образовавшимся раствором пропитали несколько листов бумажного фильтра (для предотвращения расслоения компонентов раствора при разложении) и производили разложение на горелке до окончания реакции восстановления избыточной азотной кислоты глюкозой, образовавшейся при гидролизе целлюлозы бумаги (признаком окончания реакции было прекращение выделения бурого газа NO₂ ), нитрат висмута при этом полностью разложился до оксинитрата. Затем продукт реакции в течении 30 минут отжигали в муфельной печи при температуре 750С, а после произвели закалку на воздухе. При этом происходило разложение нитратов с одновременным образованием твердого раствора:

(1-х) BiONO₃ + x Ca(NO₃ )₂ = Bi_1-x Ca_x O_1.5-0.5x + (1+2x) NO₂ + 0.25(1+2x) O₂

Следующей стадией эксперимента был помол полученного вещества с последующей обработкой в трубчатой печи в течение 24 часов при температуре 750С, с последующей закалкой на воздухе и снятием рентгенограмм полученного вещества.

3.2. Эксперименты по низкотемпературному распаду полученного вещества.

Для исследования низкотемпературного распада твердого раствора Bi_0.98 Ca_0.02 O_1.49 была проведена серия отжигов при температуре 550С на воздухе с временами 1, 2, 5, 15 минут и последующим рентгенографическим и электронномикроскопическим анализом полученных образцов.

3.3. Методы исследования.

Для исследования полученных образцов были использованы методы рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии.

Для рентгенофазового анализа образцы снимали на дифрактометре ДРОН-3М (излучение CuK_{a ср} ) с шагом съемки 0.1 ^О , временем экспозиции 2 сек., интервалом съемки 20^О -60^О , в качестве внутреннего стандарта для расчета параметров элементарной ячейки использовали кремний.

Полученные рентгенограммы обрабатывали при помощи пакета программ “POWDER” (лаборатория направленного неорганического синтеза, Химический факультет МГУ) и оригинальных программ, разработанных в лаборатории неорганического материаловедения Химического факультета МГУ.

Обработка данных, полученных на дифрактометре, включала в себя следующее:

1. вычисление межплоскостных расстояний;

2. сравнение полученной рентгенограммы с данными библиотеки ASTM и определения фазового состава образцов;

3. индицирование линий по ожидаемым значениям параметров элементарной ячейки;

4. вычисление параметров элементарной ячейки по полученным индексам Миллера.

Уточнение параметров элементарной ячейки проводилось по стандартному методу наименьших квадратов.

Электронномикроскопические исследования полученных образцов были произведены при помощи просвечивающего электронного микроскопа JEM2000FXII (JEOL, Япония) при ускоряющем напряжении 200 кВ и увеличениях до 300000 крат. Картины электронной дифракции снимались при длине камеры 100 см.

4. Обсуждение результатов.

По данным анализов образцов, полученных керамическим синтезом, твердые растворы Bi_1-x Ca_x O_y с х = 0.1, 0.12, 0.15, 0.2 имели ромбоэдрическую структуру, подобную фазам Силлена [5] с параметрами гексагональной элементарной ячейки, приведенными в таблице 1.

Таблица 1. Значения параметров и объемов элементарной гексагональной ячейки (Å) твердых растворов Bi_1-x Ca_x O_y (где а - сторона ромба, лежащего в основании элементарной ячейки, с - высота, а V - объем).

x=0.05	x=0.1	x=0.12	x=0.15	x=0.2
a	3.958(3)	3.939(3)	3.948(2)	3.946(2)	3.932(3)
с	28.67(3)	27.92(3)	27.85(2)	27.81(2)	27.84(4)
V	388.9	375.2	375.9	375.0	372.7

Как видно из таблицы, с увеличением содержания кальция в твердом растворе наблюдается закономерное уменьшение объема элементарной ячейки, что вызвано меньшим ионным радиусом Ca²⁺ , по сравнению с Bi³⁺ .

Образец состава Bi_0.75 Ca_0.25 O_y состоял из ромбоэдрического твердого раствора и фазы Ca₅ Bi₁₄ O₂₆ , что согласуется с фазовой диаграммой CaO-Bi₂ O₃ . Образцы составов Bi_0.98 Ca_0.02 O_y , Bi_0.95 Ca_0.05 O_y остались неоднофазными (состоящие из моноклинного оксида висмута и ромбоэдрического твердого раствора) после трех циклов “помол-обжиг”, хотя по фазовой диаграмме данные составы относятся к области существования кубического твердого раствора. Неоднофазность образцов, по-видимому, связана с исходной неоднородностью прекурсора при керамическом синтезе. В связи с чем был проведен “бумажный синтез” данных составов.

Полученный по данной методике твердый раствор состава Bi_0.95 Ca_0.05 O_y имел ромбоэдрическую структуру с параметрами ячейки, приведенной в таблице 1. Немонотонное изменение параметров в случае этого образца, возможно, связано с его термодинамической неравновесностью. Образования кубического твердого раствора в данном случае, возможно, не наблюдалось из-за недостаточной скорости закалки образцов (закалка на охлажденной до 0С металлической плите).

Полученный твердый раствор состава Bi_0.98 Ca_0.02 O_y имел тетрагональную (искаженную кубическую) структуру с параметрами элементарной ячейки а = 7.737(6) Å, с = 11.30(1) Å. Для оценки скорости низкотемпературного фазового превращения была проведена серия отжигов различной длительности при температуре 550С на воздухе. Рентгенограммы данных образцов приведены на рисунке 3. Как видно из рисунка полный распад тетрагонального твердого раствора на моноклинный оксид висмута и ромбоэдрический твердый раствор происходит уже через две минуты после начала отжига при 550С. Для определения типа происходящего твердофазного превращения образец после одной минуты отжига был исследован на просвечивающем электронном микроскопе. Микрофотография и картина электронной дифракции для зоны [310] приведены на рисунках 4, 5. На микрофотографии видно образование включений произвольной формы в матрице исходного твердого раствора. При этом на электронограмме присутствуют хаотически расположенные дополнительные слабые отражения. Учитывая высокую скорость превращения при сравнительно низких температурах и морфологию образца, можно сделать предположение, что начальная стадия твердофазного распада протекает по механизму “массивного превращения” через промежуточную стадию образования термодинамически неустойчивого моноклинного твердого раствора с последующим выделением из него ромбоэдрической фазы, что подтверждается малой интенсивностью и большой шириной пиков ромбоэдрической фазы на рентгенограммах (рис.3). При больших содержаниях кальция (5 и 10 атомных %) на первой стадии распада выделяется, по-видимому, сразу ромбоэдрическая фаза.

Рис.3 Рентгенограммы твердого раствора Bi_0.98 Ca_0.02 O_y после различных времен отжига при 550С (а - 1 мин, б - 2 мин, в - 5 мин, г - 15 мин). - тетрагональный твердый раствор, - моноклинный твердый раствор, - ромбоэдрический твердый раствор.