Ученые из РАН создали светящуюся керамику для космоса и рентгеновских детекторов

Разработка технологии получения керамики с заданными целевыми и нецелевыми свойствами — это особенная, очень интересная научная задача. Целевым свойством для люминесцентной керамики считается спектральный состав излучаемого света. Сопутствующие — твердость, микроструктуру, пористость — можно менять, подбирая способы получения порошков, температуру их отжига, метод и температурный режим спекания керамики.

Существенно изменить свойства материала может добавление даже небольшого количества редкоземельных элементов. Ключевую роль играют электронная структура их атомов и способность способны занимать различные кристаллографические позиции и адаптироваться к локальному окружению за счет изменения координационного числа и степени ковалентности связей.

Работая в этом направлении, коллектив авторов из Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева совместно с коллегами из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова создал и исследовал керамический материал на основе ортониобата гадолиния. Статья опубликована в журнале Journal of Alloys and Compounds.

В качестве основы ученые выбрали ортониобат гадолиния (GdNbO₄) со структурой фергюсонита. Это соединение известно своими люминесцентными свойствами. В чистом виде оно излучает свет в синей области спектра. Для изучения возможности изменить длину волны излучаемого света и особенностей переноса энергии между центрами люминесценции матрицы и редкоземельных элементов материал модифицировали путем введения четырех редкоземельных элементов: европия (Eu³⁺), самария (Sm³⁺), тербия (Tb³⁺) и эрбия (Er³⁺).

Итоговая формула полученного твердого раствора: (Gd₀.₉₆Eu₀.₀₁Sm₀.₀₁Tb₀.₀₁Er₀.₀₁)NbO₄. Доля легирующих элементов составляет около 4% от катионной подрешетки. Рентгеноструктурный анализ подтвердил, что все образцы относятся к моноклинной сингонии со структурой фергюсонита (пространственная группа I2/a), а внедрение добавок не приводит к существенным изменениям основной кристаллической решетки.

Для получения керамики с заданной структурой и свойствами авторы применили комбинированный технологический подход, включающий жидкофазный синтез порошков и одноосное горячее прессование.

Исходные компоненты осаждали из растворов, что позволило обеспечить гомогенизацию смеси на молекулярном уровне и получить тонкодисперсные порошки субмикронного размера. Такой подход способствует более равномерному распределению элементов и создает предпосылки для формирования плотной и однородной микроструктуры керамики.

Порошки подвергали одновременному нагреву и давлению (225 кг/см²). Этот метод позволяет получать образцы с плотностью, приближающейся к плотности монокристаллов, и высокими механическими характеристиками без использования спекающих добавок, которые могут негативно влиять на люминесцентные свойства.

Оптимальные параметры процесса авторы определили экспериментально. Наилучшие механические характеристики продемонстрировал керамический образец, спеченный при температуре 1220 °C, давлении прессования 225 кг/см², времени спекания 60 мин. Исходный порошок прокаливался при температуре 1180 °C.

Исследование спектров возбуждения и люминесценции показало, что активация керамики ионами Eu³⁺, Sm³⁺, Tb³⁺ и Er³⁺ изменяет цвет свечения исходной матрицы с синего на красно-оранжевый. Это изменение обусловлено переносом энергии между центрами люминесценции матрицы (группы NbO₄) и ионами редкоземельных элементов.

Механизм свечения можно представить следующим образом. При возбуждении в области собственного поглощения групп NbO₄ (длина волны 260 нм) энергия передается от матрицы к ионам редкоземельных элементов. В конечном счете энергия концентрируется на ионах европия (Eu³⁺), переходы которых доминируют в спектре излучения, создавая интенсивную полосу около 613 нм.

Интенсивность свечения зависела от температурных условий синтеза. Увеличение температуры прокаливания порошка и спекания керамики приводит к росту размера зерен и плотности материала. Это сокращает протяженность структурно искаженных границ зерен, где обычно располагаются центры тушения люминесценции. В результате интенсивность люминесценции образца, обработанного при максимальной температуре, выросла на 38% по сравнению с образцами, полученными при более низких температурах.

Помимо оптических характеристик, для практического применения важны механические параметры материала. Оптимальный образец показал сопоставимые с другими ортониобатами редкоземельных элементов микротвердость, модуль Юнга и трещиностойкость. Высокая плотность и низкая пористость керамики обеспечивают устойчивость материала к механическим нагрузкам. Сравнение с образцами, полученными традиционным спеканием, показывает преимущество метода горячего прессования с точки зрения энергозатрат и времени при сохранении высоких характеристик.

Сочетание устойчивости к внешним воздействиям и способности преобразовывать излучение в видимый свет определяет потенциальные области использования материала:

• Космические исследования. Материал перспективен для дозиметрии жесткого ионизирующего излучения. Механическая прочность важна для эксплуатации в условиях бомбардировки частицами.
• Химическая промышленность. Низкая пористость обеспечивает устойчивость к агрессивным средам, где обычная электроника может выйти из строя.
• Оптоэлектроника. Керамика может использоваться как компонент при изготовлении светодиодов белого света, а также в качестве преобразователя ультрафиолетового и инфракрасного излучения в видимый свет.
• Медицинская диагностика и безопасность. Материал подходит для применения в качестве сцинтилляторов для детекторов рентгеновского излучения и экранов рентгеновских аппаратов.
• Теплозащитные покрытия. Моноклинная структура ортониобатов рассматривается как перспективная для создания барьерных покрытий, защищающих детали двигателей от перегрева.

Исследование демонстрирует эффективность сочетания жидкофазного синтеза порошков и одноосного горячего прессования для получения функциональной керамики. Оптимизация состава и технологического процесса позволила достичь баланса между люминесцентной эффективностью и механической надежностью. Сотрудники Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья продолжают исследования и ищут новые решения для задач, требующих работы в экстремальных условиях.

КНЦ РАН

96 статей

Кольский научный центр Российской академии наук (бывший Кольский филиал Академии наук СССР) имени С. М. Кирова, объединение научных учреждений РАН на Кольском полуострове.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram