Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Структура и ближний порядок многокомпонентных стекол, полученных из отходов горнопромышленного производства

Диссертация: Структура и ближний порядок многокомпонентных стекол, полученных из отходов горнопромышленного производства
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Исследования в этой области актуальны тем, что знания о структурных изменениях в стеклах, вызванных изменением их химического состава, могут способствовать в дальнейшем получению материалов с заданными свойствами. Кроме того, данные о структуре многокомпонентных стекол могут представлять значительный интерес для фундаментальной науки, поскольку демонстрируют влияние особенностей неравновесной… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
    • 1. 1. Стеклообразное состояние. Модели строения неорганических стекол
    • 1. 2. Неоднородная структура стекол
    • 1. 3. Результаты исследования ближнего порядка в стеклах
    • 1. 4. Многокомпонентные стеклообразующие системы
  • Стекла полученные на основе минерального сырья
    • 1. 5. Кристаллическая структура диопсида, ортоклаза и апатита
  • ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
    • 2. 1. Химический состав и способ изготовления образцов
    • 2. 2. Методика рентгенографического изучения ближнего порядка в стеклах
      • 2. 2. 1. Методика обработки экспериментальных данных распределения интенсивности рассеяния
  • Метод Уоррена-Финбака
    • 2. 2. 2. Анализ ошибок эксперимента и расчета параметров ближнего порядка
    • 2. 3. Методика эксперимента по изучению микронеоднородной структуры стекол
    • 2. 3. 1. Метод рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами. Его возможности при исследовании микронеоднородной структуры стекол
    • 2. 3. 2. Приведение интенсивности рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами к электронным единицам. Метод эталона
    • 2. 3. 3. Расчет характеристик микронеоднородной структуры
    • 2. 3. 4. Анализ ошибок эксперимента
  • ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
    • 3. 1. Ближний порядок многокомпонентных стекол системы диопсид-ортоклаз-апатит. Изменения характеристик ближнего порядка при увеличении содержания апатита в стеклах
    • 3. 2. Микронеоднородная структура стекол системы диопсид-ортоклаз-апатит
      • 3. 2. 1. Влияние роста содержания апатита в многокомпонентных стеклах на характеристики микронеоднородной структуры
      • 3. 2. 2. Кинетика процесса переконденсации в многокомпонентных стеклах
    • 3. 3. Анализ применимости микрокристаллитной модели к многокомпонентным стеклам системы диопсид-ортоклаз-апатит

Структура и ближний порядок многокомпонентных стекол, полученных из отходов горнопромышленного производства (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность работы.

В наши дни остро стоит проблема загрязнения окружающей среды отходами промышленных предприятий. В частности, негативное влияние на экологическую обстановку некоторых регионов оказывают орсоды горнопромышленного комплекса. В этой связи важной областью научной деятельности становится поиск путей использования этих отходов для создания новых материалов. Некоторые из них уже находят широкое применение. В частности, базальтовое литье и волокна используются в авиационной и космической промышленности, для производства теплоизоляционных шнуров, звукопоглощающих и фильтрующих материалов. Использование горнопромышленных отходов значительно снижает стоимость таких материалов и, в ряде случаев, делает их производство более экологически чистым, чем уже имеющееся. Получение многокомпонентных неорганических стекол на основе минерального сырья, обладающих такими ценными качествами, как высокая химическая стойкость, ценные декоративные свойства, так же относится к этому классу задач.

До настоящего времени, для получения таких материалов широко использовались фторсодержащие боросиликатные составы. Токсичность фтористых соединений, агрессивность расплавов, содержащих фтор, а так же большой расход щелочей ограничивают применение фторсодержащих составов для изготовления стекол. Фосфоросодержащие составы лишены этих недостатков. Однако фосфаты замедляют варку и осветление стекломассы, некоторые из них вызывают склонность стекломассы к кристаллизации. Разработано значительное количество составов стекол, глушеных фосфором, где в качестве фосфоросодержащего компонента используется минерал апатит. Однако мало изучено влияние состава на пределы растворимости апатита в силикатных расплавах. В этой области исследований практически полностью отсутствуют данные о том, как связаны в таких стеклах явления ликвации и кристаллизации, происходящие при изменении химического состава, с изменениями их микроструктуры.

Важнейшими данными в области исследования структуры стекла являются коэффициенты ближнего порядка в расположении атомов и характеристики микронеоднородной структуры. Имеется большое количество научных публикаций, касающихся структуры и ближнего порядка простых (одно-, двух-, трех-компонентных) стекол. Однако, для многокомпонентных систем такие данные практически отсутствуют. Это можно связать с тем, что с увеличением числа сортов атомов, входящих в состав стекла, сложнее становится связать изменение его свойств с какими-либо определенными данными о структуре.

Исследования в этой области актуальны тем, что знания о структурных изменениях в стеклах, вызванных изменением их химического состава, могут способствовать в дальнейшем получению материалов с заданными свойствами. Кроме того, данные о структуре многокомпонентных стекол могут представлять значительный интерес для фундаментальной науки, поскольку демонстрируют влияние особенностей неравновесной структуры вещества на его основные свойства. Результаты исследования характеристик ближнего порядка и неоднородной структуры в конкретных стеклах могут послужить вкладом в развитие представлений о структуре стекла. Целью данной работы является.

— рентгенографическое исследование ближнего порядка многокомпонентных стекол, полученных на основе трех минералов: диопсида, ортоклаза и апатита, основанное на анализе данных о распределении интенсивности рассеяния этими объектами;

— исследование зависимости характеристик ближнего порядка в стеклах указанной системы от их химического состава;

— анализ микронеоднородной структуры стекол на основе данных малоуглового рассеяния рентгеновских лучей;

— исследование кинетики фазового разделения, происходящего в указанных стеклах.

На защиту выносятся следующие, обладающие научной новизной положения:

1. Количественные характеристики ближнего порядка (координационные числа, радиусы координационных сфер, размытия координационных сфер) многокомпонентных стекол системы диопсид-ортоклаз-апатит, полученных на основе техногенного сырья.

2. Изменение характеристик ближнего порядка, вызванное увеличением содержания апатита в исходном расплаве выше концентрационной границы, при переходе через которую гомогенный расплав распадается на две несмеши-ваемые фазы.

3. Количественные характеристики микронеоднородностей структуры изучаемых стекол (радиус инерции неоднородностей, средний квадрат разности электронных плотностей матрицы и неоднородности).

4. Кинетика процесса переконденсации в стеклах различного химического состава.

5. Применимость микрокристаллитной модели строения к исследуемым многокомпонентным стеклам.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в том, что впервые проведено комплексное рентгенографическое изучение структуры и ближнего порядка многокомпонентных стекол, полученных на основе горнопромышленных отходов и показано, что: * •.

1. многокомпонентные стекла системы диопсид-ортоклаз-апатит всех изучаемых составов рентгеноаморфны и в области ближнего порядка имеют структуру сходную со структурой диопсида при его концентрации в шихте более 65 весовых %;

2. ограниченная растворимость апатита в исходном расплаве при содержании последнего в шихте свыше 20 весовых %, оказывает существенное влияние на характер ближнего упорядочения атомов, что выражается в росте вклада в первую координационную сферу Р-0 связей с одновременным уменьшением дисперсии межатомных расстояний;

3. структуру изучаемых стекол нельзя описать при помощи мелкокристаллит-ной модели, поскольку области когерентного рассеяния имеют размеры менее одной элементарной ячейки основного компонента — диопсида;

4. неоднородности в многокомпонентных стеклах зарождаются при любом химическом составе уже на стадии изготовления, термическая обработка ведет лишь к процессу переконденсации без изменения размеров неоднородностей и их взаимного расположения;

5. процесс ликвации, происходящий в исследуемых стеклах при увеличении содержания апатита выше 20 весовых %, сопровождается резким ростом радиуса инерции неоднородностей и их относительной концентрации.

Наличие количественных структурных характеристик для многокомпонентных стекол, полученных на основе минерального сырья, позволяет связать их изменения с процессами, происходящими в стеклах, и, на основании этих данных, прогнозировать физические свойства стекол различных составов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав и основных результатов и выводов и содержит 115 страниц печатного текста, 48 рисунков, 16 таблиц, 91 наименование библиографии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Рентгенографические исследования структуры многокомпонентных стекол системы диопсид-ортоклаз-апатит показали, что ближний порядок в стеклах с содержанием апатита менее 25 вес.% соответствует конфигурации атомов в кристаллическом диопсиде, применяемом при изготовлении стекла.

Показано, что с переходом от стекол гомогенного состава к стеклам, в которых произошло фазовое разделение, на кривых распределения парных функций проявляется вклад фосфорокислородных связей апатита. Значительное уменьшение дисперсии межатомных расстояний в стеклах с 25 и 30 вес. % апатита указывает на упорядочение структуры стекла. Обнаружено, что отжиг стекла при температуре 900 °C в течение часа приводит к выделению кристаллической фазы апатита, что коррелирует с данными об упорядочении структуры.

Установлено, что исследуемые стекла имеют микронеоднородную структуру с неоднородностями двух размерных фракций. Радиусы инерции неоднородностей большей размерной фракции при переходе от гомогенных стекол к лидировавшим увеличиваются скачкообразно. В стеклах всех составов при температуре 780 °C проходят процессы переконденсации, связанные с ростом среднего квадрата разности электронных плотностей матрицы и неоднородности. В результате переконденсации значения электронной плотности неоднородностей приближаются к электронной плотности апатита, что согласуется с данными об изменениях, наблюдающихся в характеристиках ближнего порядка.

Анализ данных эксперимента на основе микрокристаллитной модели строения стекла показал, что качественное согласие экспериментальных кривых H (s) с рассчитанными имеет место только для стекла с 10 вес. % апатита при размере области упорядочения, равном половине деформированной элементарной ячейки диопсида.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В.А., Шудегов В. Е. Принципы организации аморфных структур. СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 1999. 228 с.
  2. Д.С., Бартенев Г. М. Физические свойства неупорядоченных структур. Новосибирск: Наука, 1982. 257 с.
  3. P.JI. Химические особенности полимерных стеклообразующих веществ и природа стеклообразования. //Стеклообразное состояние. m.-jl, Изд. АН СССР, 1960. С. 60−71.
  4. А.Д. // Стеклообразное состояние. Л., Наука, 1965. С. 4554.
  5. Zachariasen W.H. The atomic arrangement in glass// J. Amer. Chem. Soc. 1932. V. 54, № 10. P. 3841−3851.
  6. Warren B.E. X-ray determination of structure of glass// J. Amer. Cheram. Soc. 1934. V. 17. N8. P. 249−254.
  7. Stevels J.M.// Glass Ind. 1954. V. 35, P. 66.
  8. B.B., Юницкий Г.А.// ЖФХ. 1965, Т. 36. С. 2077−2079.
  9. Bando Y., Ishizuka К.// J. Non-Cryst. Solids. 1979. V. 33, № 3. P. 375−382.
  10. B.B., Порай-Кошиц Е.АУ/ Физика и химия стекла. 1977.Т. 3, № 4. С.292−305.
  11. В.В., Порай-Кошиц Е.А.// Физика и химия стекла. 1981.Т. 7, № 3. С. 278−282.
  12. Т.Н., Голубков В. В., Титов А. П., Порай-Кошиц Е.А.// Стеклообразное состояние. JL: Наука, 1983. С. 43−47.
  13. Инфракрасные спетры щелочных силикатов / Под ред. А. Г. Власова и В. А. Флоринской. Л.: Наука, 1970. 344 с.
  14. Fiori С., Devine R.A.B.//Phys. Rev. В. 1986. V. 16, № 4. P. 2972−2974.
  15. Tilton L.W.//J. Res. NBS. 1957. V. 59, № 2. P. 139−154.
  16. Hoseman R., Hentschel M.P., Schmeisser U., Brukner R.// J. Non-Cryst. Solids. 1986. V. 83, No ½. P. 223−234.
  17. Goodman C.H.L.// Phys. and Chem. Glasses. 1985. V. 26, № 1. P. 1−10.
  18. Phillips J .CM Solid State Commun. 1983. V. 47, № 3. P. 203−206.
  19. Г. М. Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стекла. М.: Стройиздат, 1974. 240 с.
  20. С.А., Чечеткина Е. А. Стеклообразование. М.: Наука, 1990. 278с.
  21. Н., Порай-Кошиц Е.А.// Z. Krist. 1936. V. 95, Р. 195−200.
  22. Порай-Кошиц Е. А. Диффузное рассеяние рентгеновских лучей под малыми углами. Обзор // УФН, 1949. Т. 39, № 4. С. 33−38.
  23. Порай-Кошиц Е.А., Андреев Н. С. //ДАН СССР, 1958. Т. 118, С. 735−740.
  24. Порай-Кошиц Е. А. Дифракционные методы исследования стеклообразных веществ. // Стеклообразное состояние. М.: Изд. АН СССР, 1960. С. 14−24.
  25. А.И. К вопросу образования кристаллической фазы из силикатного расплава. И Стеклообразное состояние. Л.: Наука, 1960. С. 2335.
  26. В.В. Проблема неоднородности строения стекол. // Физика и химия стекла, 1998. Т. 24, № 3. С. 32−39.
  27. В.В., Дымшиц О. С., Жилин А. А., Чуваева Т. И. Кинетика переконденсации в литиевоалюмосиликатных стеклах, содержащих ТЮг и Zr02. // Физика и химия стекла, 2000. Т. 26, № 1. С. 55−69.
  28. Е.В., Жуковская О. В., Тихомиров Г. П. Влияние термообработки на структуру и свойства стекла.// Стеклообразное состояние. Л.: Наука. 1971. С. 111−113.
  29. М.М., Мазурин О. В. Современные представления о строении стекол и их свойствах. Л.: Наука, 1988.320 с.
  30. Г. Неорганические стеклообразующие системы. М.:Мир, 1970.312 с.
  31. J.W. И J.*Chem. Phys. 1965. V. 42, P. 93.
  32. Cottrel A.H. Theoretical Structural Metallurgy. Arnold. London. 1948. 150 p.
  33. J.W., Charles R.J. // Phys. Chem. Glasses, 1965. V. 6, P. 181.
  34. A.A. Химия стекла. Л.: Химия, 1974. 352 с.
  35. Н.С., Ершова Т. И. // ДАН СССР, 1965. № 165, С. 1037.
  36. Порай-Кошиц Е.А. О прямых методах исследования строения стекла. // Стеклообразное состояние. Ереван: Изд. АН АССР, 1970. С. 7−17
  37. Н.С., Аверьянов В. И., Порай-Кошиц Е.А. Структурные превращения в стеклах при повышенных температурах. M.-JL: Наука, 1965. С. 59−70.
  38. И.В., Фаворская Т. В. // Тр. ГОИ, 1929. Т. 5. Вып. 45. С. 28−35.
  39. И.В., Молчанова О. С. // ЖОХ, № 12, 1942. С. 588−595.
  40. JI.A., Репникова Е. А. Структура аморфных материалов и природа дефектов в них. Петрозаводск: Изд-во 111 У, 1995.112 с.
  41. Дж. Модели беспорядка. М.: Мир, 1985. 591 с.
  42. А.Ф. Структурный анализ жидкостей и аморфных тел. М.: Высшая школа, 1980. 328 с.
  43. Л.И. Структура твердых аморфных и жидких веществ. М.: Наука, 1983.152 с. .
  44. J.C. // Phys. St. Sol. (b). 1980, V. 101, P. 473.
  45. Mozzi R.L., Warren B.E. The Structure of Vitreous Silica. // J. Appl. Cryst. 1969. V. 2. № 4. P. 164−168.
  46. .Е. Рентгеновские исследования структуры стекол // Кристаллография. 1971. Т. 16. Вып. 6. С. 1264−1273.
  47. Шмогер A. jl, Котомин Е. А., Закис Ю. Р. Исследование связи свойств кристаллического и стеклообразного диоксида кремния и нейтральных взаимодействующих молекул Si02. // Вопросы физики стеклообразного состояния. Рига: 1985. С. 155−159.
  48. Polk D.E., Boundreaux D.S. Tetrahedrally Coordinated Random-Network structure. // Phys. Rev. Lett. 1973. V. 31, № 2, P. 92−95.
  49. Tadros A., Klenin M.A., Lukasky G.A. Structural model for Amorphous Si02 including the Effects of Intermediate Raude Order. // J. Cryst. Sol. 1984. V. 64, P. 215−224.
  50. Konnert J.H., Antonio P., Karle J. Comparison of Radial Distribution Function for Silica Glass with those for Various Bonding Topologies: Use of Correlation Function. //J. Non-Cryst. Sol. 1982. V. 53, № 1−2. P. 135−141.
  51. Hosemann R., Nentschel M.P., Schmeisser U., Briickner R. Structural Model of Vitreous Silica Based on Microparacrystal principles. // J. Of Non-Cryst. Sol. 1986. V. 83, P. 223−234.
  52. Mackensie J.D., White J.L. The Si-O-Si Angle and the Structure of Vitreous Silica. //J. Of Amer. Ceram. Soc. 1960. № 3, P. 170−171.
  53. А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. М.: Мир. 1986.556 с.
  54. Masson C.R. Proc. Xith Int. Cong. Glass. Prag. 1977. Survey Papers. V. 1, P. 3−5.
  55. Trap H.J.L., Stevels J.M. // Glastechn. Ber. 1959. № 32K. P. 31.
  56. Д.А., Порай-Кошиц E.A. Структурные превращения в стеклах при повышенных температурах. М.: Наука. 1965.100 с.
  57. Н.С., Бойко Г. Г. // Ликвационные явления в стеклах. Сб. трудов. симпозиума. М.: Наука. 1969. С. 129−135.
  58. В.Ф., Саркисов П. Д. Облицовочные стеклянные и стеклокристаллические материалы. М.: Высшая школа. 1998. 193 с.
  59. К. К. Седмалис УЛ., Эйдук ЮЛ. Алюмосиликофосфатные стекла на основе природного сырья. // Стеклообразные системы и материалы. Рига. 1967. С. 108−113.
  60. Л.А. Кристаллизация стекол системы Ca0-Mg0-Si02 в присутствии N20, А1203, Fe203. // Стеклообразные системы и материалы. Рига. 1967. С. 129−132.
  61. В.Н., Суворова О. В. Растворимость апатита в силикатных расплавах, содержащих диопсид. // Стекло и керамика. № 2. 1997. С. 18−20.
  62. О.С. // Строение стекла. Труды третьего Всесоюзного совещания. М.: Изд. АН СССР. 1960. С. 141.
  63. В.Н., Суворова О. В. Изменение химической стойкости стекол в силикатных системах, содержащих диопсид. // Стекло и керамика. № 8. 1997. С. 6−7.
  64. База данных по структуре минералов, http://database.iem.ac.ru/mincryst/.
  65. Д. Ю. Урусов B.C. Структурные типы минералов. Изд. Московского университета. 1990.136 с.
  66. Д.М., Зевин Л. С. Рентгеновская дифрактометрия. М.: Физматгиз. 1963.420 с.
  67. Д.М. Рентгеновская дифрактометрия монокристаллов. Д.: Машиностроение. 1973.255 с.
  68. А.А. Исследование температурной зависимости ближнего порядка в сплавах Ni3Pt. // Вестник МГУ. 1959. № 4. С. 131−133.
  69. JI.A., Фофанов А. Д. Рентгеноструктурный анализ аморфных материалов. Петрозаводск: Изд-во ПГУ, 1987. 85 с.
  70. Warren В.Е. X-ray diffraction. New-York: Mass, 1969. 563 p.
  71. Krogh-Moe J.A. Method for converting experimental x-ray intensities to an absolut scall. // Acta cryst. 1956. V.9, № 10. P. 951−954.
  72. Norman N. The fourier transform method for normalizing intensities.// Acta cryst., 1957, V. 10. № 6, P. 370.
  73. JI.А., Малиненко В. П., Фирова Н. М., Фофанов А. Д. Ближний порядок в аморфных окисных пленках тантала и ниобия. Рукопись деп. В ВИНИТИ. Ко 1557−77. 1977. 34 с.
  74. Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир. 1980.279 с.
  75. Ч., Хенсон Р. Численное решение задач методом наименьших квадратов. М.: Наука, 1986.230 с.
  76. В.В., Порай-Кошиц Е.А. Некоторые методические вопросы рентгеновского малоуглового рассеяния аморфными (стеклообразными) телами. // Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Л.: Машиностроение. 1980. Вып. 24. С. 89−97.
  77. А. Рентгенография кристаллов. М.:Физматгиз, 1961. 602 с.
  78. Guinier A., Furnet G. Small Angle Scattering of X-ray // Wiley, N. Y.: London. 1955. P. 199.
  79. B.JI., Уманский Я. С. Применение метода малоуглового рассеяния рентгеновских лучей для исследования субмикроскопических неоднородностей в материалах. // Зав. лаб. 1961. Т. 37, № 6. С. 691−698.
  80. Д.И., Фейгин JI.A. Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние. М.: Наука. 1986.280 с.
  81. А.Н., Терминасов Ю. С. Рассеяние рентгеновских лучей под малыми углами. Куйбышев, ч. 1, 1979. 88 с. ч. 2, 1981.90 с.
  82. Г. Б., Порай-Кошиц М.А. Рентгеноструктурный анализ T. l М.: Изд-во московского университета, 1964.
  83. Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1961.
  84. П.Г. Методы исследования пористости твердых тел. М.: Энергоатомиздат. 1985. 111 с.
  85. Я.С. Рентгенография металлов. М.: Металлургия. 1967.235 с.
  86. В.В. Микропористость анодных оксидных пленок алюминия. Петрозаводск: Изд-во 111 У, 1992. 62 с.
  87. Я.С., Чириков Н. В. Некоторые ошибки при использовании малоуглового рассеяния рентгеновских лучей. // Зав. лаб. 1964. Т. 30, № 11. С. 127−138.
  88. В.Н. О коллимационной поправке в теории рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами. // ЖТФ. Т. 27, вып. 5. 1975. С. 1029−1044.
  89. В.М. Исследование субструктуры циклически деформированной меди методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей // Дисс. Канд. ф.-м. наук. / ПГУ им. О. В. Куусинена. Петрозаводск. 1967. 134 с.
  90. Glatter О., Kratky О. Small-Angle X-ray Scattering. London: Academic Press. 1982.230 p.
  91. К.Л., Макаров А. М., Никитина Е. А., Фофанов А. Д. Моделирование распределения атомов А1 в ГЦК кислородной подрешетке окисла AI2O3. Деп. В ВИНИТИ. 1992. № 254-В92. 16 с. г
Заполнить форму текущей работой

На отлично!