Изменение микроструктуры и оптических свойств допированного натрий-кальциевого силикатного стекла в процессе вторичной термообработки

В работе рассмотрены процессы фазового разделения, происходящие в системе Na₂O–CaO–SiO₂ (NCS), содержащей одновременно четыре различных микрокомпонента (Fe₂O₃, P₂O₅, Ag, Au). Синтезировали два стекла близкого состава с одним и тем же набором микрокомпонентов, но с различным содержанием золота и серебра. Варку стекла проводили в открытом платиновом тигле в электропечи при 1400 °C в течение 3 ч. Стекло вырабатывали на чугунную плиту с ограничителями и отжигали при 520 °C 1 ч. Формирование наночастиц происходило при вторичной термообработке при 550 – 600 °C. Показано, что фазовое разделение в образце, состав которого лежит на линии предела несмешиваемости в NCS-системе, происходит через образование наночастиц золота – серебра, построенных по типу ядро – оболочка: они служат центрами образования капель второй стеклофазы, обогащенной кремнеземом. Со временем внутри капель происходит кристаллизация кварца. Обсуждено влияние этих процессов на оптические свойства материала, в том числе дихроизм. Фазовое разделение подтверждено методом РЭМ, образование кварца доказано методом рентгенофазового анализа. Размер наночастиц рассчитан из электронных спектров методом компьютерного моделирования. Железо в полученных стеклах находится в степенях окисления +2 и +3, что определяет окраску стекла до вторичной термообработки и окраску термообработанного стекла в отраженном свете. Окраска стекла в проходящем свете после вторичной термообработки обусловлена поглощением света наночастицами. Показана зависимость формы наночастиц от соотношения золото – серебро в стекле: при исследуемых соотношениях она представляет собой удлиненный или сплюснутый эллипсоид.

1. Romero M., Rincon J. Ma., Acosta A. Effect of iron oxide content on the crystallization of a diopside glass-ceramic glaze / J. Eur. Ceram. Soc. 2002. Vol. 2. P. 883 – 890. DOI: 10.1016/S0955-2219(01)00395-8.

2. Jeoung J. -S., Poisl W. H., Weinberg M., et al. Effect of oxidation state of iron on phase separation in sodium silicate glasses / J. Am. Ceram. Soc. 2001. Vol. 84. N 8. P. 1859 – 1864. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2001.tb00927.x.

3. Jebsen Marwedel H., Brückner R. (Hrsg.). Glastechnische Fabrikationsfehler. Pathologische Ausnahmezustände des Werkstoffes Glas und ihre Behebung, eine Brücke zwischen Wissenschaft, Technologie und Praxis. — Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 1980. — 623 s.

4. Tomozawa M., Obara R. A. Effect of minor third components on metastable immiscibility boundaries of binary glasses / J. Am. Ceram. Soc. 1973. Vol. 56. N 3. P. 3378 – 3381. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1973.tb12690.x.

5. Commons C. H. Past and present practice and theory of opaque glass / Am. Ceram. Soc. Bull. 1948. Vol. 27. N 9. P. 337 – 344.

6. Sitarz M., Szumera M. Crystallization of silico-phosphate glasses / J. Therm. Anal. Calorim. 2008. Vol. 91. P. 255 – 260. DOI: 10.1007/s10973-007-8374-3.

7. Abdel-Halmeed S. A. M., Marzouk M. A., Farag M. M. Effect of P2O5 and MnO2 on crystallization of magnetic glass ceramics / J. Adv. Res. 2014. Vol. 5. N 5. P. 543 – 550. DOI: 10.1016/j.jare.2013.07.001.

8. Smogor H., Cardinal T., Jubera V., et al. Effect of silver on phase separation and crystallization of niobium oxide containing glasses / J. Solid State Chem. 2009. Vol. 182. P. 1351 – 1358. DOI: 10.1016/j.jssc.2009.02.028.

9. Inman J. M., Houde-Walter S. N., Greaves G. N., et al. Structural characterisation of silver ion exchange in alumino-silicate glasses / Jpn. J. Apll. Phys. 1993. Vol. 32. P. 667 – 669. DOI: 10.7567/JJAPS.32S2.667.

10. Weyl W. A. Structure of subsurface layers and their role in glass technology / J. Non-Cryst. Solids. 1975. Vol. 19. P. 1 – 25. DOI: 10.1016/0022-3093(75)90066-6.

11. Bogaerts M., Godet St. Phase-separated soda-lime silica glass. US Patent 8,853,109 B2, Oct. 7,2014.