Изучение структурных превращений легкоплавких стекол на основе оксидов свинца, кремния, бора с добавками меди, железа и марганца на микроуровне с помощью микроскопа «NANOEDUCATOR»
Изучение структурных превращений легкоплавких стекол на основе оксидов свинца, кремния, бора с добавками меди, железа и марганца на микроуровне с помощью микроскопа «NANOEDUCATOR» / К. А. Боровских, М. Н. Демьянчук, Н. А. Сарычева [и др.]. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2015. — № 1 (1). — С. 63-66. — URL: https://moluch.ru/young/archive/1/47/ (дата обращения: 25.06.2022).
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.
- 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.
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
Изменение морфологии стекла в зависимости от содержания оксидов меди, марганца и железа