Получение и физические свойства ниобий- и танталсодержащих функциональных и конструкционных микро- и наноструктурных керамических и монокристаллических материалов

флокулянтов, аморфного кремнезема и компонентов взрывчатых веществ нового типа. Последняя разработка отмечена Премией Правительства РФ в области науки и техники за 1997 г. На основе экстракционной технологии, разработанной в институте, на комбинате «Североникель» Кольской горно-металлургической компании в 1999 г. организовано производство солей кобальта, освоение технологий производства электролитической меди и регенерации серной кислоты.

Отметим ряд внедренных или находящихся на стадии внедрения работ, инициированных академиком В.Т. Калинниковым и выполненных ИХТРЭМС с участием других институтов КНЦ РАН на промышленных предприятиях:

технология алюмокремниевого коагулянта-флокулянта из нефелина для очистки природных, сточных и сбросных вод (ОАО «Апатит», г.Кировск; ОПЗ «Минудобрения», ОАО «Карельский окатыш», г. Костомукша);

технология взрывчатых веществ (Акватол Т-20ГК, Гранулит-АК и Нитранит) (ОАО «Апатит», г.Кировск);

технология циркониевого порошка (ПО «Маяк», г.Саров); схемы и технологические режимы переработки отходов бадделеитового производства (ОАО «Ковдорский ГОК», г.Ковдор);

кислотная технология сфенового концентрата с получением сорбентов и пигментов (ОАО «Апатит», г.Кировск); организация производства особо чистого кобальта (ОАО «Кольская ГМК», г.Мончегорск);

технология очистки никелевых рафинатов цеха электролиза никеля от свинца с использованием метода электролиза (ОАО «Кольская ГМК»);

экстракционная переработка некондиционных растворов производства меди с очисткой от цинка (ОАО «Кольская ГМК», г.Мончегорск);

выделение осмия из отработанной анионообменной смолы путем гидротермальной обработки (ОАО «Кольская ГМК», г.Мончегорск);

технологии сварочных материалов на основе минеральных концентратов и продуктов их переработки (ЦНИИ КМ «Прометей», ОАО «ПО «Севмаш»; г.Северодвинск, ОАО «Апатит», г.Кировск; ОАО «СМЗ»,

г. Соликамск);

технология титанофосфатного сорбента из сфенового концентрата (ОАО «Апатит»).

Сведения об авторе Маслобоев Владимир Алексеевич,

д. т.н., Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, masloboev@ksc.ru Masloboev Vladimir Alexeevith,

Dr.Sc. (Engineering), Institute of Industrial Ecology Problems in the North of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, masloboev@ksc.ru

УДК 535:361:456.34.882

ПОЛУЧЕНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИОБИЙ- И ТАНТАЛСОДЕРЖАЩИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУРНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ И МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

М.Н. Палатников, В.А. Сандлер, Н.В. Сидоров, И.В. Бирюкова, И.Н. Ефремов, О.В. Макарова, О.Б. Щербина,

Н.А. Теплякова, В Т.Калинников

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН, Апатиты, Россия

Аннотация

Исследованы получение и физические свойства ниобий и танталсодержащих функциональных и конструкционных микро- и наноструктурных керамических и монокристаллических материалов. При этом проведено комплексное исследование легированных лантаноидами активно-нелинейных кристаллов ниобата лития, которые сочетают в себе активные (лазерные) свойства и нелинейно-оптические свойства матрицы-основы. В качестве сред, наиболее перспективных для эффективных нелинейных преобразований оптического излучения, рассмотрены сегнетоэлектрические кристаллы с регулярной доменной структурой (РДС). Особое внимание уделено формированию регулярных доменных структур в легированных и номинально чистых кристаллах ниобата и танталата лития методами доменной инженерии. В рамках поиска новых стойких к оптическому повреждению материалов путем их легирования нефоторефрактивными примесями исследовано получение и свойства серии монокристаллов LiNbO3:Zn, легированных в широком диапазоне концентраций легирующей добовки. Впервые создана научная база для создания нового коммерческого оптического материала на основе кристаллов LiNbO3:Zn. Произведена сравнительная оценка радиационной стойкости номинально чистых и легированных редкоземельными и щелочноземельными элементами кристаллов ниобата лития. Во всех случаях свойства исследуемых твердотельных материалов рассматривались в тесной связи с их вторичной микро- и наноструктурой.

Ключевые слова:

кристаллы ниобата и танталата лития, микро- и наноструктура, получение и физические свойства, керамика

32

PREPARATION AND PHYSICAL PROPERTIES OF NIOBIUM- AND TANTALUM-CONTAINING FUNCTIONAL AND STRUCTURAL MICRO- AND NANOSTRUCTURED CERAMICS AND SINGLE CRYSTAL MATERIALS

M.N. Palatnikov, V.A. Sandler, N.V. Sidorov, I.V. Biryukova, I.N. Efremov, O.V. Makarova, O.B. Scherbinа, N.A. Teplyakova, V.T. Kalinnikov

I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola Science Centre of the RAS, Apatity, Russia

Abstract

Physical properties and obtaining were investigated for functional and structural materials containing niobium and tantalum and based on nanostructure ceramics and single crystals. Complex research of lanthanide-doped actively nonlinear lithium niobate single crystals, was carried out. The crystals combine active laser properties and optically nonlinear properties of the host matrix. Ferroelectric crystals with regular domain structure (RDS) have been considered as the most perspective media for the effective nonlinear transformation of optical radiation. Special attention is paid to the process of forming of RDS in doped and pure lithium and tantalum niobates by the means of domain engineering. As a part of the search for new optical damage resistant materials by their doping by non-photorefratcive impurities we have investigated obtaining and properties of the series of LiNbO3:Zn crystals doped in the wide range of concentrations. The scientific base for creation of a new commercial optical material based on LiNbO3:Zn single crystals was developed for the first time. The comparative evaluation of radiation resistance was carried out for pure, doped by rare earth elements and alkaline earth lithium niobate crystals. In all cases properties of the researched solid materials have been investigated in the view of their micro- and nanostructure. Keywords:

lithium niobate and tantalate single crystals, micro- and nanostructure, obtaining and physical properties, ceramics.

Функционирование аппаратуры, реализующей современные оптоэлектронные и телекоммуникационные технологии, во многом связано с кристаллами ниобата лития. Они широко используются в сотовой связи, интегральной оптике, для сверхбыстрого Интернета и имеют целый ряд чисто оптических применений (генерация оптических гармоник, параметрическая генерация, электрооптика) и т.д. Мировой рынок кристаллов ниобата лития составляет около 260 т в год или 13 млрд долл. США, причем в России их продается около 2500 кг в изделиях. Современные оптические модуляторы повышенного качества из кристаллов ниобата лития обеспечивают передачу информации по одному оптоволокну со скоростью от 8 до 350 Гбит/сек. Согласно исследованиям Business Communications Со Inc., мировой рынок кристаллов ниобата лития достигнет 17 млрд долл. США в 2016 г. Основным потребителем этого кристалла являются фирмы, производящие комплектующие для телекоммуникационного оборудования. Производители подобного оборудования нуждаются в совершенных оптических материалах с контролируемыми оптическими свойствами. Наличие конкуренции на мировом рынке выдвигает высокие требования к оптическому качеству кристаллов. Рынок кристаллов конгруэнтного состава насыщен и формируется, в основном, спросом, а не предложением. Рынок же кристаллов для оптических приложений быстро растет и меняется. Пока он формируется, в основном, предложением, а не спросом. Поэтому чрезвычайно важными и актуальными являются исследования физических свойств и процессов получения новых оптических материалов на базе монокристаллов ниобата и танталата лития.

Так, в настоящее время особый интерес вызывают легированные лантаноидами активно-нелинейные кристаллы, которые сочетают в себе активные (лазерные) свойства и нелинейно-оптические свойства матрицы-основы. В таких кристаллах возможно осуществление процессов самопреобразования частоты лазерной генерации, когда в одном кристалле одновременно происходят лазерная генерация излучения на определенной частоте и нелинейно-оптическое преобразование этой частоты [1, 2]. В качестве сред, наиболее перспективных для эффективных нелинейных преобразований, можно выделить сегнетоэлектрические кристаллы с регулярной доменной структурой (РДС). В таких кристаллах снимаются ограничения на поляризацию взаимодействующих волн, а следовательно, возможна реализация квазисинхронизма в любом направлении относительно оптических осей кристалла [1, 2].

Существование доменной структуры в сегнетоэлектриках открывает уникальные возможности управления важными для применения характеристиками кристаллов - пьезо- и пироэлектрическими, нелинейно-оптическими и диэлектрическими, за счет создания микро- и нанодоменной структуры с необходимыми параметрами. Новая прикладная отрасль физики и технологии сегнетоэлектриков - доменная инженерия, занимающаяся разработкой методов создания в сегнетоэлектрических материалах доменных структур с контролируемой геометрией, получила стремительное развитие в течение последних 15 лет. Среди задач доменной инженерии выделяют создание периодических доменных структур в нелинейно-оптических материалах для построения эффективных преобразователей частоты когерентного оптического излучения [3], а также создание полностью оптических интегральных схем с модуляторами, мультиплексорами и преобразователями частоты на одном кристалле. Новейший этап развития доменной инженерии в сегнетоэлектриках связан с преодолением микронного барьера и созданием доменных структур с периодами в субмикронном и нанометровом диапазоне. Решение этой проблемы позволит изготавливать принципиально

33

новый класс электрооптических и нелинейно-оптических устройств [4]. На данный момент в ниобате лития удается создавать доменные структуры только с периодами, превышающими единицы микрон. Для достижения субмикронных периодов необходимо развитие новых методов, основанных на переключении в сильнонеравновесных условиях, при этом принципиальную роль играют эффекты коррелированного зародышеобразования и самоорганизованного формирования микро- и нанодоменных структур, имеющих квазирегулярную или самоподобную геометрию. РДС с периодом от единиц до нескольких десятков микрон в кристаллах LiNbO3 можно получить либо в процессе выращивания кристаллов, либо в процессе послеростовой обработки. В случае послеростовой обработки РДС в кристаллах ниобата лития формируется путем приложения реверсивного электрического поля, сканирования электронным пучком, методом лазерного нагрева или методом, основанным на эффекте самопроизвольного обратного переключения. Эти методы позволяют создавать доменные структуры с периодами до 1-4 мкм. Получение образцов с РДС большого объема возможно на основе вращательных полос роста в процессе выращивания методом Чохральского кристаллов LiNbO3, легированных редкоземельными и другими (как правило, трехвалентными) элементами.

Нами были выращены серии кристаллов ниобата лития, легированных РЗЭ в широком интервале концентраций легирующей добавки. Было показано, что в нестабильных условиях роста в кристаллах LiNbO3:РЗЭ образуются микронные регулярные доменные структуры (РДС) с изменяемым или стабильным шагом и периодические наноразмерные структуры с шагом от 10 до 100 нм. В катионной подрешетке легированного РЗЭ кристалла ниобата лития формируется сверхструктурная подрешетка кластерных дефектов с шагом в несколько периодов трансляции. Технологические режимы выращивания легированных монокристаллов подбирали таким образом, что были получены монокристаллы ниобата лития с дефектами в виде регулярного неоднородного распределения примеси и, соответственно, с РДС, шаг которой определялся соотношением скоростей вытягивания и вращения кристалла. Эти РДС были получены благодаря:

• тщательной и длительной подготовке расплава перед затравливанием (подготовка расплава с перегревом и оптимальной выдержкой для исключения неконтролируемых градиентов концентраций примеси в расплаве);

• ассиметричному тепловому полю при наличии существенного градиента над расплавом (4-6 Кмм-1);

• оптимально подобранным скоростям вращения и вытягивания (достаточно высокая начальная скорость вытягивания на конусе и монотонно снижаемая скорость вытягивания при выращивании цилиндра були; постоянная скорость вращения при выращивании цилиндрической части кристалла);

• использованию периодических изменений мощности ВЧ-генератора, обеспечивающих

кратковременные периодические изменения температуры вблизи границы кристалл - расплав.

Такой подход к управлению процессом кристаллизации позволяет поддерживать необходимое постоянное изменение конвективных потоков в расплаве, создавая периодическую неоднородность распределения примеси за счет регулярного изменения скорости роста на границе раздела фаз.

Методом атомно-силовой микроскопии в кристаллах ниобата лития, легированных РЗЭ, на отрицательных доменных стенках домена РДС после травления регистрируются периодические наноразмерные структуры с шагом от ~10 до 100 нм. Причем периодическое разбиение происходит как в направлении параллельном, так и в направлении перпендикулярном полярной оси кристалла и, вероятно, не ограничивается областью масштабов 10-100 нм, которую позволяют исследовать использованные нами аппаратура и методы атомно-силовой микроскопии. Очевидно, что образование таких периодических наноструктур так прямо не связано с ростовыми процессами, как это имеет место для РДС, формирующихся на основе вращательных полос роста. По-видимому, появление подобных структур обусловлено упорядочением кластеров, образующихся на основе комплексов собственных и примесных дефектов при кристаллизации в нестационарных тепловых условиях. Такие структуры, конечно, не являются доменными в общепринятом смысле. Но границы между их отдельными элементами обладают зарядом в неравновесных условиях (например, в условиях травления или нагрева кристалла). В противном случае они не проявлялись бы в процессе травления. Как показывают модельные расчеты, кластеры в структуре ниобата лития могут формироваться вблизи собственных дефектов NbLi и образовывать упорядоченные подрешетки размерами несколько периодов трансляции, т.е. шагом 1-2 нм. В кластерах и пограничных областях, как правило, происходит изменение локальной симметрии катионов в октаэдрах, что может быть причиной активности «лишних» линий в спектрах КРС. Таким образом, в легированных лантаноидами монокристаллах ниобата лития, выращенных в условиях далеких от термодинамического равновесия, наряду с регистрируемыми методами оптической и атомно-силовой микроскопии периодическими микро- и наноструктурами в области масштабов ~10 нм - 10 мкм, могут, по-видимому, формироваться упорядоченные подрешетки кластерных дефектов с шагом 1-2 нм. Было показано, что наличие в монокристалле совокупности периодических микро- и наноструктур приводит к весьма существенному изменению его физических характеристик в практически значимой области температур (290-400 К). Это однозначно было показано нами при исследовании электрофизических характеристик монокристалла LiNbO3:Gd ([Gd]=0.44 мас. %). Было установлено, что аномалии различных физических характеристик в кристаллах LiNЮ3:РЗЭ в диапазоне температур ~290-400 K существенно зависят от исходного состояния микро- и нанодоменной структуры, а конкретные величины наблюдаемых аномалий и кинетика происходящих процессов определяются реальной структурой образцов, изменяющейся с температурой.

34

Формирование РДС в кристаллах LiNbO3 с помощью прямого электронно-лучевого облучения по сравнению с другими методами в целом ряде случаев является перспективным способом создания структур микронных и субмикронных периодов. В этом случае для формирования доменов не требуется использования специальных масок и особых покрытий, электронный луч легко управляется и перемещается по поверхности, что делает этот метод весьма гибким при изменении дизайна и параметров формируемой структуры. Нанометровые параметры диаметра электронного луча предполагают перспективность данного метода для формирования доменных структур не только микронных, но и субмикронных периодов, используемых для преобразования излучения в режиме фазового квазисинхронизма. Нами исследованы возможности электроннолучевой записи РДС в стехиометрических и конгруэнтных кристаллах LiNbO3. Изучалось переключение под электронным лучом в монокристаллах ниобата и танталата лития стехиометрического состава, выращенных из расплава с 58.6 мол. % Li2O, из расплава конгруэнтного состава в присутствии флюса К2О (high temperature top seeded solution growth, HTTSSG), кристаллов, модифицированных методом VTE, а также серии кристаллов. В результате проведенных исследований, несмотря на некоторое различие в формировании индивидуальных доменов, для разных типов кристаллов найдены условия рисования электронным лучом РДС в достаточно толстых образцах. При толщине образцов в 0.75 mm наименьший период созданных РДС был равен ~5.3 pm.

Ряд приложений оптических устройств на основе кристаллов ниобата лития предполагает их эксплуатацию в условиях воздействия ионизирующего излучения (ИИ). В связи с этим актуально произвести сравнительную оценку радиационной стойкости номинально чистых и легированных редкоземельными и щелочноземельными элементами кристаллов ниобата лития. Интенсивное дефектообразование в кристаллах может происходить под действием ИИ. Возникающие при этом атомарные и электронные структурные несовершенства кристаллической решетки во многом определяют свойства кристаллов. Возникновение центров окраски, вносящих вклад в оптическое поглощение, - одно из наиболее ярких проявлений образования дефектов в кристаллах. Центры окраски образуются при захвате носителей заряда собственными и примесными дефектами решетки. Способом создания как точечных, так и электронных дефектов в неравновесной концентрации является облучение кристаллов частицами и фотонами высоких энергий. При этом в кристаллах возникают электронные возбуждения широкого диапазона энергий и времен жизни. Высокоэнергетические возбуждения распадаются на простейшие стабильные возбуждения типа электронно-дырочных пар и экситонов. Происходит перераспределение электронной плотности между высоко- и низкоэнергетическими подуровнями в запрещенной зоне, что, в частности, приводит к радиационному окрашиванию кристаллов [5]. В монокристаллах ниобата лития у-излучение приводит к окрашиванию кристаллов, увеличению фоторефрактивной чувствительности, изменению оптического поглощения. Причем при легировании кристаллов могут существенно изменяться его оптические свойства, например, чувствительность к повреждению не только лазерным, но и ИИ. Нами установлены особенности оптических характеристик у-облученных кристаллов ниобата лития в зависимости от дозы облучения, температурного отжига образца. Различия в способах обесцвечивания у-облученных и отожженных в вакууме номинально чистых монокристаллов ниобата лития позволило уточнить механизмы образования точечных и электронных дефектов и предложить модель происходящих при у-облучении процессов. Показано, что изменение оптического пропускания легированных кристаллов LiNbO3 при у-облучении существенно зависит как от типа легирующей добавки, так и от ее концентрации. Причем радиационная стойкость легированных кристаллов может быть и существенно выше, и существенно ниже, чем у номинально чистых кристаллов LiNbO3. Наибольшую радиационную стойкость (из исследованных образцов) показали кристаллы LiNbO3:Gd (0.26 мас. %), LiNbO3:Gd (0.43 мас. %) и LiNbO3:Mg (0.27 мас. %), в которых под воздействием у-облучения (доза ~5-104 kGy) оптическое пропускание практически не изменяется (< 2%).

Активный поиск новых стойких к оптическому повреждению материалов путем их легирования нефоторефрактивными примесями является одной из актуальнейших задач оптического материаловедения. В последние годы наибольший интерес вызывают исследования, посвященные получению и свойствам монокристаллов LiNbO3:Zn. Влияние легирующего элемента на свойства монокристаллов ниобата лития часто носит скачкообразный характер. Такой вид концентрационной зависимости свойств получил название «концентрационный порог». Причем в общем случае в легированных кристаллах ниобата лития может быть несколько концентрационных порогов, в области которых характеристики расплава и выращенных из него кристаллов могут испытывать аномальное поведение. Нами выполнены исследования концентрационных условий кристаллизации кристаллов LiNbO3:Zn в области концентраций ZnO в расплаве ~4.0^9.0 мол. % с шагом ~1 мол. %, а вблизи «пороговой» концентрации ~6.8 мол. % с шагом ~0.1 мол. % для определения условий выращивания кристаллов LiNbO3:Zn с высокой степенью оптической и композиционной однородности. Для этого была разработана методика оценки поведения примеси в сложной системе расплав - примесь - кристалл с неизвестной диаграммой состояния и неизвестными физикохимическими параметрами расплава. Методика реализуется при выращивании из одного тигля, т.е. в одном технологическом цикле, серии легированных кристаллов с разной концентрацией примеси. Стойкость к оптическому повреждению и оптическая однородность оценивались с использованием метода исследования фоторефрактивного рассеяния света (ФРРС) и метода лазерной коноскопии. В результате проведения исследований показано, что область концентраций ~4-^6.8 мол. % ZnO благоприятна для получения композиционно и оптически однородных бездефектных кристаллов LiNbO3:Zn, обладающих высокой стойкостью к оптическому повреждению. В наибольшей степени вышесказанное относится к кристаллу LiNbO3:Zn, выращенному из расплава с концентрацией [ZnO] = 6.12 мол. %. При концентрации [ZnO] > 6.8 мол. %, если кристаллизуется > 20% расплава, вырастают дефектные кристаллы LiNbO3:Zn,

35

содержащие две различные кристаллические фазы: Li<5ZnNb4Oi4 и LiNbO3:Zn. Определены пороговые концентрации примеси, соответствующие существенному изменению условий образования кристаллов LiNbO3:Zn: ~5.4 и 6.80 мол. % ZnO в расплаве. Таким образом, впервые создана научная база для создания нового коммерческого оптического материала на основе кристаллов LiNbO3:Zn.

На примере керамических пентаоксидов тантала и ниобия исследовано влияние обработки концентрированным световым потоком на механические, спектральные свойства и термостойкость в широкой области температур. Рассмотрены физико-химические аспекты, обусловливающие создание новых слоистых керамических материалов и контейнеров для термохимической обработки высокочистых соединений, обладающих высокой стойкостью к тепловым ударам. Математическое моделирование распределения напряжений в слоистом керамическом материале с основой из кварцевой керамики и двухсторонним защитным покрытием из пентаоксида ниобия (тантала) показало, что разделение основы на фрагменты (уменьшение площади непрерывной границы между слоями) и сглаживание острых углов фрагментов приводят к снижению напряжений на границе раздела между основой и покрытием. Усановлено, что только совокупное использование технологических приемов (использование слоистой керамики, подбор материала основы и покрытия, обработка материала покрытия концентрированным световым потоком с формированием микро- и наноструктур фрактального типа и образованием частично островной кристаллической структуры пентаоксида ниобия (тантала), демпфирующих тепловое расширение, разбиение материала основы на фрагменты со сглаженными углами, возникновение анизотропии механических свойств по глубине материала покрытия) имеет синергетический эффект и позволяет создавать керамические материалы и контейнеры с высокой стойкостью к тепловым ударам.

Литература

1. Дмитриев В.Г., Тарасов. Л.В. Прикладная нелинейная оптика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 512 с.

2. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: МГУ, 2004. 656 с.

3. Rosenman G., Skliar A., Arie A. Ferroelectric domain engineering for quasi-phase-matched nonlinear optical devices // Ferroelectrics Review. 1999. Vol. l. P. 263-326.

4. Shur V.Ya. Nano- and micro-domain engineering in normal and relaxor ferroelectrics // Advanced dielectric, piezoelectric and ferroelectric materials - Synthesis, characterization & applications / ed. by Z.G. Ye. Woodhead Publishing Ltd., 2008. P. 622-669.

5. Парфинович И.А., Пензина Э.Э. Электронные центры окраски в ионных кристаллах. Иркутск: Вост.-Сиб. кн.

изд-во, 1977. 208 с.

Сведения об авторах Палатников Михаил Николаевич,

д.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, palat_mn@chemy.kolasc.net.ru Сандлер Владимир Абрамович,

к.ф. -м.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН,

г. Апатиты, Россия, sandler@chemy.kolasc.net.ru Сидоров Николай Васильевич,

д. ф. -м.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, sidorov@chemy.kolasc.net.ru

Бирюкова Ирина Викторовна,

к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, Granatira@mail.ru Ефремов Илья Николаевич,

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, efremov_in@chemy.kolasc.net.ru Макарова Ольга Викторовна,

к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, makarova@chemy.kolasc.net.ru Щербина Ольга Борисовна,

к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, shcerbina@chemy.kolasc.net.ru Теплякова Наталья Александровна,

к.ф. -м.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, tepl_na@chemy.kolasc.net.ru

Palatnikov Mikhail Nikolayevich,

Dr.Sc. (Engineering), I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, palat_mn@chemy.kolasc.net.ru Sandler Vladimir Abramovich,

PhD (Physics and Mathematics), I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, sandler@chemy.kolasc.net.ru

36

Sidorov Nikolay Vasilyevich,

Dr.Sc. (Physics and Mathematics), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, sidorov@chemy.kolasc.net.ru Biryukova Irina Viktorovna,

PhD (Engineering), I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, Granatira@mail.ru Efremov Iliay Nikolaevich,

I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, efremov_in@chemy.kolasc.net.ru Makarova Olga Victorovna,

PhD (Engineering), I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS Apatity, Russia, makarova@chemy.kolasc.net.ru Scherbina Olga Borisovna,

PhD (Engineering), I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, shcerbina@chemy.kolasc.net.ru Teplyakova Natalya Alexandrovna,

PhD (Physics and Mathematics), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, tepl_na@chemy.kolasc.net.ru

УДК 66.011:546.28

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ

ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИЛИКАТОВ КАЛЬЦИЯ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

А.И. Холь кин, Л.В. Акатьева

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия

Аннотация

Для процессов переработки минерального, техногенного и другого сырья и создания неорганических и композиционных материалов предложена семизвенная формула взаимосвязи отдельных стадий и характеристик исходных, промежуточных и конечных продуктов: «сырье - технология - состав - структура - дисперсность -свойство - применение». На основе предложенной методики проведен анализ результатов цикла исследований по переработке кальций и кремний содержащего сырья. Рассмотрены различные варианты технологических схем в зависимости от свойств сырья; процессы получения гидросиликатов кальция и волластонита, свойства которых зависят от их структуры; влияние дисперсности материалов на их физические свойства, а следовательно, на области применения в качестве функциональных или конструкционных материалов. Получены эффективные сорбенты, твердые экстрагенты, органоминеральные и керамические пигменты на основе синтетических силикатов кальция и другие материалы.

Ключевые слова:

минеральное сырье, синтетические силикаты кальция, нанопорошки, волокнистая структура, семизвенная формула, прямая и обратная исследовательские задачи, органо-минеральные пигменты, экстракционнопиролитический метод, композиционные керамические пигменты, гибридные люминофоры, база данных, компьютерное моделирование, веб-приложение.

MODERN RAW MATERIAL RECYCLING PROCESSES FOR CALCIUM SILICATE AND COMPOSITE MATERIALS PRODUCTION

A.I. Kholkin, L.V. Akatieva

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the RAS, Moscow, Russia Abstract

For processing of mineral, technogeneous and other materials, as well as for inorganic and compositional materials production, the seven-links formula of interaction of different stages and raw materials, intermediate and finished products properties was suggested: “raw materials - techniques - composition - structure - dispersion - property - application”. The analysis of the results achieved through a number of research works on the processing of calcium and silicon containing materials, as well as industrial wastes and minable natural materials to check the possibility of the production of higher priced

37