Контактное взаимодействие расплавов Bi2O3-B2O3 с благородными металлами (обзорная статья)

КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАСПЛАВОВ Bi2O3-B2O3 С БЛАГОРОДНЫМИ

МЕТАЛЛАМИ

Сизова О.В.

аспирант кафедры физической и неорганической химии ФГАОУВО «Сибирский федеральный университет» Институт цветных металлов и материаловедения Красноярск, Красноярский край, Россия

Денисов В.М.

профессор кафедры физической и неорганической химии ФГАОУВО «Сибирский федеральный университет» Институт цветных металлов и материаловедения Красноярск, Красноярский край, Россия

CONTACT INTERACTION OF THE Bi2O3-B2O3 MELTS WITH NOBLE METALS

Sizova O.

postgraduate student of the Department ofphysical and inorganic chemistry

Siberian Federal University School of Non-Ferrous Metals and Materials Science Krasnoyarsk, Krasnoyarsk territory, Russia

Denisov V.

Professor of physical and inorganic chemistry Department

Siberian Federal University School of Non-Ferrous Metals and Materials Science Krasnoyarsk, Krasnoyarsk territory, Russia

Аннотация

В обзоре обобщены опубликованные сведения, касающиеся вопросов технологии получения материалов на основе Bi2O3-B2O3. Представлены и проанализированы результаты по взаимодействию твердых металлов (серебра, золота, иридия) с расплавами системы Bi2O3-B2O3. Abstract

The review summarizes the published information concerning the issues of technology for obtaining materials based on Bi2O3-B2O3. The results of solid metals interaction of (silver, gold, and iridium) with melts of the Bi2O3-B2O3 system are presented and analyzed.

Ключевые слова: Расплавы, Bi2O3-B2O3, контактное взаимодействие, метод лежащей капли, тигельные материалы.

Keywords: Melts, Bi2O3-B2O3, contact interaction, lying drop method, crucible materials.

Материалы на основе Bi2O3 исследуются уже долгое время. При этом постоянно находятся новые области применения для них. В последние годы материалы Bi2O3-B2O3 представляют большой интерес для лазерной техники и оптики [1-5].

Авторы статьи Кривобородова С.Ю. и др. [6] указывают на образования в стеклах Bi2Oз-GeO2 сложных оптических центров на основе висмута. Данные центры влияют на характер спектров поглощения. При этом висмутовые центры образуются при быстром охлаждении расплава, при медленном охлаждении их количество существенно падает. Поэтому методы получения важно исследовать и учитывать. Известно, что расплавы на основе оксида висмута являются достаточно агрессивной средой и растворяют в себе платину [7], которую часто используют в качестве тигельного материала при синтезе. Подобные примеси сильно влияют на свойства оптических материалов [8, 9]. Поэтому, одним из важных критериев при синтезировании соединений или выращивании монокристаллов является подбор тигельного материала. В зависимости от условий процесса и свойств получаемого вещества, в качестве тигельного материала может

быть использовано золото, платина, серебро, железо, а также различная керамика: алунд, фарфор.

Выбор материала для тигля необходимо основывать на исследованиях контактного взаимодействия, но тема контактного взаимодействия тигельного материала с расплавом изучена не в достаточном объеме.

В работе [10], авторы использовали метод лежащей капли для изучения контактного взаимодействия расплавов Bi2Oз-B2Oз с твердым серебром. Так как выращивание монокристаллов содержащих Bi2Oз проводят на воздухе или в атмосфере кислорода, эксперименты проводились в аналогичных условиях при раздельном нагреве образца и серебряной подложки. Важно отметить, что раздельный нагрев подложки и расплава, очень важное техническое решение, т.к. в этом случае, можно избежать нежелательных реакций, которые могут проходить еще до полного расплавления оксидного образца [11].

Для системы Bi2O3-B2O3 известно два вида диаграммы состояния равновесная и метастабиль-ная [12, 13]. С учетом этого для исследования были выбраны: эвтектические составы 18,5

мол. % В20з, и соединения Bi4B2O9, ВШ03, ЫзВзОи, ВШзОб.

Во всех системах с серебром наблюдается сильное уменьшение краевых углов смачивания во времени. Проведя необходимые расчеты, авторы делают вывод о физико-химическом взаимодей-

ствии расплав - подложка, а так же растворение серебра в расплаве. В результате исследования, были рассчитаны работы адгезий для систем еl-Ag и В14В209 - Ag, поскольку в них устанавливалось стационарное значение краевого угла смачивания принятое за равновесное (рис.1, 2).

Рис. 1. Влияние температуры на смачивание (1) и работу адгезии (2) в системе (В120э + 18,5 мол.% В2О3) - Ag [10].

Рис. 2. Влияние температуры на смачивание (1) и работу адгезии (2) в системе (Вг4В209) - Ag [10].

На основании полученных данных, исследователями сделан вывод о сильной адгезии расплав-подложка в этих системах.

Позже авторами [14] исследовано взаимодействие ВЬ03-В203 с иридием от времени и от температуры. Обнаружено, что расплавы выбранных составов (18,5 и 43,5 мол. % В20з, В14В209), образуют контактные краевые углы смачивания, которые в течение длительного времени не изменяются, вследствие чего они могут быть приняты за равновесные.

Повышение температуры не приводит к изменению краевых углов смачивания для расплавов 18,5 и 43,5 мол. % В20з, В14В209. В то время как для расплава соединения BiзB50l2 существует зависимость влияния температуры на смачивание. Исследователи [14] установили, что зависимость в = Л(Т) имеет не линейный характер (рис.3), что может свидетельствовать о химическом взаимодействии расплав - подложка. Однако это не подтвердилось проведенным анализом застывших капель оксидного расплава.

Рис.3. Зависимость 0(1) и Wa от температуры при смачивании иридия расплавом BiB3O6 [14].

Получив контактные равновесные углы смачивания, авторы рассчитали работу адгезии W«, значения которой оказались достаточно малыми (рис. 3). Это привело к выводу о физической природе взаимодействия расплав подложка.

Предложена рекомендация о возможном использовании иридия в качестве тигельного материала для расплавов системы BÍ2O3-B2O3.

Ученые [15] провели еще одно очень важное исследование, контактное взаимодействие расплавов Bi2O3-B2O3 с золотом.

Согласно полученным результатам, наблюдается физико-химическое взаимодействие, подтвержденное результатами анализа застывших капель. Анализ ряда застывших капель осуществляли с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM 70001F и энергодисперсионного спектрометра INCA Energy PentaFETx3. Золото растворяется в расплавах BÍ2B2O9, BiBO3 и BÍ2O3 и распределяется практически однородно. В образцах BÍ3B5Oi2, BiB3O6 золота не обнаружено, поэтому для них можно рекомендовать данный металл в качестве тигельного материала.

Для установления характера взаимодействия между исследованными расплавами и подложкой из золота были рассчитаны значения мольной работы адгезии Wp.

Таким образом, в приведенных исследованиях подтверждена высокая химическая активность расплавов на основе оксида висмута. Серебро, как и платина, легко взаимодействует с расплавами, золото также оказалось не устойчивым по отношению к некоторым расплавам Bi2B2O9, BiBO3 и Bi2O3. Однако, использование иридия в качестве тигельного материала не приводит к изменению состава исходного вещества и позволяет получить высокочистый материал с заданными свойствами.

Список литературы

1. Hellwig H., Liebertz J., Bohary L. Linear Optical Properties of the Monoclinic Bismuth Borate BiB3O6 // J. Appl. Phys. 2000. V. 88. № 1. P. 240-244.

2. Becker P. Thermal and Optical Properties of Glasses of the System Bi2O3-B2O3 // Cryst. Res. Technol. 2003. V. 38. № 1. P. 74-82.

3. Егорышева А.В., Бурков В.И., Каргин Ю.Ф. и др. Колебательные спектры кристаллов боратов висмута // Кристаллография. 2005. Т. 50. № 1. С. 135-144.

4. Wan S., Teng B., Zhang X. et al. Investigation of a BiB3O6 Crystal Growth Mechanism by High -Temperature Raman Spectroscopy // Cryst. Eng. Comm. 2010. V. 12. P. 211-215.

5. Egorysheva A.V., Skorikov V.M. Efficient Nonlinear Optical Material BiB3O6 (BIBO) // Inorganic Materials. 2009. V. 45. № 13. P. 1461-1476.

6. Влияние концентрации оксида висмута и условий синтеза на оптические свойства висмутгер-манатных стекол / Кравобородова С.Ю. и др. // Успехи в химии и хим. технологии. - 2018. - Т.32, № 3. - С. 36 - 37.

7. Тананаев И.В., Скориков В.М., Кутвицкий В.А. и др. Растворимость Pt в расплавах системы Bi2O3 - ЭД,, где Э - Si, Ti, Ge, Zn, Cd. - Изв. АН СССР. Неорган. материалы, 1981, 17, № 4, с. 663668.

8. Lezal D., Pedlikova J., Kostka P. et al. Haave Metal Oxide Glasses: Preparation and Physical Properties // J. Non-Cryst. Solids. 2001. V. 284. P. 288-205.

9. Sanz O., Haro-Poniatowski E., Gonzalo J. et al. Influence of the Melting Conditions of Heavy Metal Oxide Glasses Containing Bismuth Oxide on Their Optical Absorption // J. Non_Cryst. Solids. 2006. V. 352. P. 761-768.

10. Денисов В.М., Денисова Л.Т., Кучумова О.В., и др. Контактное взаимодействие расплавов

системы Bi2O3-B2O3 с серебром. - Расплавы, 2013, № 2, с. 42 - 47.

11. Найдич Ю.В., Журавлев В.С. О методике определения степени смачивания твердых тел металлическими расплавами // Адгезия расплавов. Киев: Наукова думка, 1974. 32-41 с.

12. Levin E.M., Mc Daniel C.L. The system Bi2O3-B2O3. - J. Am. Cer. Soc., 1962, 45, J№ 8, p. 355360.

13. Каргин Ю.Ф., Жереб В.П., Егорышева А.В. Фазовая диаграмма метастабильных состояний системы Bi2Oз-B2Oз. - ЖНХ, 2002, 47, № 8, с. 13621364.

14. Денисов В.М., Подкопаев О.И., Кучумова О.В., Денисова Л.Т., и др. Контактное взаимодействие иридия с расплавами Bi2Oз-B2Oз. - Расплавы, 2013, № 4, с. 3 - 8.

15. Денисов В.М., Денисова Л.Т., Кучумова О.В., Чумилина Л.Г. Смачивание золота расплавами системы Bi2O3-B2O3. - Неорганические материалы, 2014. - Т. 50, № 2. - С. 3 - 8.