VASOXID TARTALMU BOROSZILIKÁT ÜVEGEK VIZSGÁLATA

Átírás

1 VASOXID TARTALMU BOROSZILIKÁT ÜVEGEK VIZSGÁLATA Bevezetés Az aluminoboroszilikát üvegeknek összetételüktől függően számos felhasználásuk van. Szenzorokat, kórházi eszközöket, laboratóriumi felszereléseket, üvegedényeket gyártanak belőle.[1,2]. Az üveg kristályosodás nélkül szilárdult, túlhűtött folyadékoldat, amelyben fémoxid komponensek vannak feloldva. Az üvegek szerkezete a folyadékok állapotához hasonlóan véletlenszerűen alakul ki az olvadt ömledékből a megszilárdulás pillanatában, azzal a különbséggel, hogy (a folyadékoktól eltérően) a szilárd üveget alkotó atomok hőmozgása gátolt. A folyékony ömledék és az üvegszerűen megszilárduló anyag közötti állapot folytonos, nincs közöttük éles határ: a szilárd kristályos anyagoktól eltérően az üvegeknek nincs határozott olvadáspontjuk, csupán a viszkozitásuk változik (igen széles határok között) hevítés és hűtés hatására [3]. Munkámnak célja az volt, hogy az elkészített üvegmintában milyen egységek (SiO 2, B 2 O 3, Al 2 O 3, stb.), rácsszerkezetek alakulnak ki. Az üveg összetételét azért választottam ki, éppen így mert szerettem volna ha nano méretű magnetit kristályok válnának ki. Ennek érdekében vasat 1:1 arányban adtam minden mintához, viszont változtattam a Si-B arányát a mintákban. Kíváncsi voltam arra, hogy a vas hogyan befolyásolja a különböző arányban levő Si és B összetevők jelenlétében az üveg kristályosodását. Van 3 minta amit a Si-B arány szempontjából vizsgáltam és másik 3 ahol a vas befolyását a kristályosodásra. Mindegyik minta 16 mol % vasat tartalmaz, az első három minta csak Fe 2 O 3 -at tartalmaz, akkor van egy minta ami 8 mol % Fe 2 O 3 és 8 mol % FeO-t tartalmaz, illetve két minta ami csak FeO-t tartalmaz. Összetételtől függetlenül mágneses mérések, UV-Vis, diffrakciós és mikroszkópos vizsgálatok voltak elvégezve az üvegeken. Vizsgálati módszerek Röntgendiffrakciós vizsgálat A röntgensugárzás elhajlásával (diffrakciójával) kapott intenzitásmaximumok térbeli helyzetéből és relatív erősségéből meghatározható az ismeretlen kristályos anyagok kristályszerkezete, illetve az amorf (üvegszerű) anyagok koordinációs viszonyai, rövid távú szerkezete. A rendezetlen szerkezetű anyagok vizsgálatára a röntgenpordiffrakció alkalmas. A diffrakciós mérés akkor pordiffrakciós, ha a besugárzott térrészben nagyszámú, véletlenszerűen orientált kristályrészecske található [4]. A röntgendiffraktométer működési elve A röntgendiffraktométer sugárforrása egy röntgencső. Ebben egy izzó wolfram katódból elektronok lépnek ki, amelyek nagy feszültség hatására a vákuumban felgyorsulnak, és az

2 anódnak ütköznek. Az ütközés hatására egyrészt egy folytonos spektrumú fékezési sugárzás, másrészt az anód anyagára jellemző, vonalszerű karakterisztikus sugárzás keletkezik, amelynek csúcsa azoknak a röntgenfotonoknak felel meg, amelyek akkor keletkeznek, amikor a katódról érkező elektron által a K héjról kilökött elektron helye az M héjról töltődik be. A K α csúcs az L- ről K-ra való elektronátmenetnek felel meg. Ez a csúcs két nagyon közeli csúcsot tartalmaz, K α1 és K α2 - t, a K héj két elektronállapotának megfelelően. A röntgencsőből kissé divergens nyaláb lép ki, amelyet résekkel korlátoznak. A fókuszáló kör a mintából egy körívet metsz ki, amelynek pontjaiban az adott pontbeli érintővel párhuzamos síkokról reflektálódó nyalábok a résnél találkoznak. A fókuszáló kör által a mintából kimetszett körív (Bragg-reflexió esetén a detektorba jutó intenzitás) akkor a legnagyobb, ha a minta síkja a fókuszáló körre illeszkedik. Forgás közben a detektor begyűjti a különböző szögekben szórt röntgen fotonokat. A mérés során a mintára eső, és a mintáról a detektor irányába szórt nyalábnak a minta felületével bezárt szöge egyenlő marad. Az ilyen felépítésű diffraktométernél a detektorba csak a minta felületével közel párhuzamos rácssíkról reflektálódó sugárzás jut. Mivel porminta esetén a kristályszemcsék véletlenszerű irányítása miatt minden lehetséges rácssík előfordul a minta felületével párhuzamosan, a pordiffraktogramon a kristályszerkezetnek megfelelő összes reflexió megjelenik. Ahhoz, hogy minden egyes rácssík-sereghez a diffraktogram csak egy csúcsa tartozzék, a röntgensugárzást monokromatizálni kell. A röntgencső spektrumából a nemkívánatos részt (közvetlenül a röntgencső után elhelyezett) szűrő és monokromátor segítségével küszöböljük ki. A monokromátor kiszűri a mintáról rugalmatlanul szóródó sugárzást is, ezzel csökkentve a hátteret. A mérések vezérlését és adatok begyűjtését számítógép végzi [5-14]. A röntgen pordiffraktogramok kiértékelése Egy pordiffraktogram kiértékelésénél először is meg kell határoznunk a diffrakciós csúcsokhoz tartozó Bragg-szöget. Egy csúcs pozíciójának meghatározására a mért vonal legnagyobb intenzitású pontjához tartozó szöget, vagy a diffrakciós profilra illesztett analitikus görbe maximumának helyét vesszük, majd a Bragg-egyenlet segítségével (a λ hullámhossz ismeretében) kiszámoljuk a csúcsokhoz tartozó d hkl értékeket. 2d hkl sinθ=λ θ a k 0 és k által bezárt szög fele (Bragg-egyenlet). Az egyenlet megadja, hogy adott λ hullámhosszú röntgensugárzás és d hkl rácssiktávolság esetén a besugárzási irányhoz (k 0 ) képest milyen 2θ szögben kapjuk a szórt sugárzás intenzitásmaximumait. Minta előkészítése a méréshez A mintákat hidraulikus préssel összetörtem, achát mozsárban összemozsaráltam, golyós malom segítségével finom porrá őröltem. A prést, mozsarat, a golyós malom belsejét minden minta után gondosan megtisztítottam, hogy kiküszöböljem a szennyeződéseket. Kvarc mintatartóra aceton

3 és ragasztóanyag segítségével, az aceton elpárolgása közben rászáradt a finom por. Ezután elvégeztük a méréseket. UV-Vis spektroszkópia A módszer a elektronátmeneteket gerjesztő energiák mérésével foglalkozik ultraibolya (UV) és látható (Vis) tartományban. A gerjesztéshez szükséges energiát valamely adott hullámhosszúságú fény elnyelt fotonjának energiája szolgáltatja. hυ= E=E2-E1= hυ/λ=28635/λ(nm) kcal/mól, ahol h=6, erg s, c=2, cm/s A leggyakrabban használt UV-Vis spektrofotométerek mérési tartománya nm közötti. A műszert, amellyel a méréseket végeztem UV-Vis spektrofotométernek nevezik. A spektrofotométerbe helyezett (szilárd, folyadék vagy gáz) mintán adott hullámhosszú fény keresztülhalad át, végigpásztázva a mérési tartományt. A spektrofotométer minden egyes hullámhossz tartományban rögzíti a minta fényelnyelésének nagyságát. Az eredmény az UV-Vis spektrum, amely az abszorbanciát a hullámhossz függvényében ábrázolja. A minta maximális elnyelésének megfelelő hullámhossz a minta jellemző paramétere, jelölése λ max [15-19]. A minta előkészítése Az Uv-Vis színképek elkészítéséhez az előzőleg csiszolókorongon levékonyított mintát bőrön tovább vékonyítottam, majd csiszolóporként Cr 2 O 3 -ot használva felfényeztem. Csiszolás és fényezés után a minta vastagsága mm volt. A méréseket Jasco V-650 UV-Vis spektrofotométerrel végeztem a nm hullámhossztartományban. Mivel a minták mérete kisebb volt az optikai ablak által megköveteltnél, a méréséhez megfelelő optikai ablakot biztosító, saját készítésű maszkot használtam. Ezután elvégeztem a méréseket. Eredmények kiértékelése Röntgendiffraktogram kiértékelése

4 R20 (nagyon kevéssé kristályos) 2θ (fok) d (Å) I (a.u.) Ásványfázis SiO 2 R21 (kevéssé kristályos) 2θ (fok) d (Å) I (a.u.) Ásványfázis hematit R23 (erősen kristályos, a domináns magnetit fázis mellett megjelenik kevés hematit is) 2θ (fok) d (Å) I (a.u.) Ásványfázis magnetit hematit magnetit magnetit magnetit magnetit magnetit magnetit R24 annak ellenére, hogy a mikroszkóp alatt látszik benne a kristályos fázis, a krisztallitok nagyon kis mérete miatt (nanokristályok) a diffraktogramon nem látható.

5 Röntgendiffraktogrammok R intensity [a.u.] diffraction angle 2θ [ degree ] R21 30 intensity [a.u.] difraction angle 2θ [ degree ] R23

6 60 55 intensitatea [u.a.] unghi de difractie 2θ [ grade ] R24 30 intensity [ a.u.] difraction angle 2θ [ degree ]

7 UV-Vis spektrumok Abs 4.6 R Hullam hossz R21 Abs nm

8 R Abs nm Abs 4.6 R nm

9 R24 Abs nm Mikroszkópos képek R20 (FeO ~8 mol% + ~Fe 2 O 3 8 mol%, SiO 2 ~33.5 mol%, B 2 O 3 ~33.5 mol%)

10 R21 (FeO 8 mol% + Fe 2 O 3 8 mol%, SiO 2 35 mol%, B 2 O 3 30 mol%) R22 (FeO 8 mol% + Fe 2 O 3 8 mol%, SiO 2 40 mol%, B 2 O 3 25 mol%)

11 R23 (Fe 2 O 3 16 mol%) R24 (FeO 16 mol%)

12 Mágneses szuszceptibilitás eredményeinek táblázata Üvegtípus - Θp CM µeff xfe3+ xfe2+ R ,48 0,52 R ,56 0,44 R ,54 0,46 R ,62 0,38 R ,42 0,58 Az üvegminták összetételének táblázata Üvegtípus Komponensek (mol%) SiO2 B2O3 Na2O Al2O3 Fe2O3 FeO R20 32,4 34,4 14 3,7 7,8 7.8 R21 35,0 30,0 15 4,0 8,0 8,0 R22 40,0 25,0 15 4,0 8,0 8,0 R23 40,0 25,0 15 4,0 16,0 - R24 40,0 25,0 15 4,0-16,0

13 A mágneses szuszceptibilités mérések és az UV-Vis mérések igazolták az üveg mágnesességét, 1:1 arányban van jelen a Fe 2+ és Fe 3+ ion a mintában. Van különbség a kristályosodásban az R20 és R23, nagy külőnbség van, pedig a vas oxid aránya ugyanolyan. Az R20 szinte teljesen üveg, kevés kristályos fázis található, a mikroszkópos mérések igazolták csupán a kristályok létezését. Az R23 as minta kristályos, magnetit kristályok találhatóak benne. Mérete mikron nagyságú. Az R24 es mintában nano kristályoktalálhatóak amelyet a mikroszkóp bizonyított be. Bibliográfia 1. src=google&albch=google&albcp=search_minerals-metals- Materials&albkw=Borosilicate-Glass_None&albag=Product_Non-metallic-Mineral- Products_Borosilicate-Glass_None&albmt=exact&albst=Search 2. gclid=ckncvos37picfrjhzwoduxl6bg Gubicza Jenő, Zsoldos Lehel Röntgendifrakció 5. Ch. Kittel: Bevezetés a szilárdestfizikába, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, J. M. Schultz: Az anyagvizsgálat diffrakciós módszerei, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, B. E. Warren: X-ray diffraction, Dover Publications, New York, (The International Centre for Diffraction Data) (Methods, Problems and Solutions for Powder Diffraction Indexing). 10. J. I. Langford, D. Louer: Rep. Prog. Phys. 59 (1966) A. Taylor: X-ray metallography, John Wiley and Sons, New York, D. M. Pool, H. J. Axon: J. Inst. Met. 80 (1952) 599.

14 13. J. I. Langford, D. Louer, P. Scardi: J. Appl. Cryst. 33 (2000) Darvasi Jenő Analitikai Mérőműszerek és Mérési Módszerek a Modern UV-Vis Spektrometriában Kolozsvári Egyetemi Kiadó Kolozsvár, Cordoş E., Frenţiu T., Ponta M., Darvasi E., Analiza prin spectrometrie de absorbţie moleculară în ultraviolet-vizibil, Institutul Naţional de Optoelectronică, Bucureşti, Kékedy L., Műszeres analitikai kémia. Válogatott fejezetek. Erdélyi Múzeum-Egyesület, Kolozsvár, Kovács K. A fény elméletben és gyakorlatban. Dacia könyvkiadó, Kolozsvár, Owen T. Fundamentals of Modern UV-Visible Spectroscopy. Hewlett Packard, 1996