Тема: ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛЫХ ЧАСТИЦ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

Актуальность темы исследования. Современные конструкции и устройства требуют учета многоуровневой, иерархической организации материалов различной природы. Это позволяет наиболее эффективно использовать новые возможности, которые открывают функциональные материалы с иерархической структурой. Иерархическая архитектура организации функционального материала дает возможность в рамках единой технологии создавать материалы с большим разнообразием «полезных» свойств, управляя составом или строением субструктур на одном или нескольких её уровнях [1-4]. Уменьшение характерных размеров частиц до нанодиапазона приводит к проявлению наноэффектов: квантового конфаймента, высокой нестехиометричности состава вещества и росту доли поверхностных атомов, высокой поверхностной энергии, дисторсии кристаллической структуры, возрастанию к поверхности диффузии точечных дефектов [5-8]. Это вызывает изменение оптических и электрофизических свойств наноструктурированных материалов, обусловливая принципиальные возможности создания новых наноматериалов с уникальными физикохимическими свойствами.
Материалы на основе оксида алюминия и диоксида кремния уже нашли широкое применение в различных областях науки и техники вследствие высоких диэлектрических характеристик, стойкости к воздействию различных внешних полей - механических, тепловых, электромагнитных и агрессивных сред [9-12]. Применение данных материалов в составе светоотражающих покрытий для космической техники рассматривается как перспективное направление вследствие наличия у них большой запрещенной зоны и высокой отражательной способности, обусловливающих малое значение интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения (as). Под действием факторов космического пространства у таких материалов изменяются оптические свойства за счет образующихся дефектов. Это служит причиной увеличения поглощения солнечной энергии покрытиями, изготовленными на их основе, и изменению в температурном режиме космического аппарата, что может привести к сбоям в работе радиоэлектронной аппаратуры. Решением проблемы может стать создание полых сферических частиц, которые можно использовать в качестве пигментов для отражающих покрытий. Такие наноструктурированные объекты могут одновременно обладать всей совокупностью свойств микро- и наноматериалов.
Степень разработанности темы. К настоящему времени выполнены исследования оптических свойств полых сферических частиц диоксида титана и оксида цинка при воздействии ионизирующих излучений [13-15] и установлено, что эти структуры в меньшей степени подвержены деградации оптических свойств при облучении по сравнению с объемными микрочастицами. Как полагают авторы данных исследований, это связано с малыми ионизационными потерями энергии при прохождении заряженных частиц через полые частицы по сравнению с объемными сплошными частицами.
В настоящее время разработаны подходы для получения полых частиц, в том числе микросфер ЛЬО; и SiO2, с применением в качестве шаблона шаров из полистирола. Данный метод синтеза рассматривается как простой, универсальный и эффективный способ получения полых частиц. Однако, вопрос о возможности применения полых частиц в качестве порошков- пигментов для создания терморегулирующих покрытий с высокой отражательной способностью и высокой радиационной стойкостью остается не исследованным.
В связи с вышеперечисленными проблемами, целью настоящей работы является исследование влияния потоков протонов и электронов на изменение отражательной способности полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния для создания на их основе отражающих покрытий с высокой отражательной способностью в солнечном диапазоне спектра и высокой стабильностью к действию заряженных частиц космического пространства.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи:
1. Синтезировать полые частицы сферической формы оксида алюминия и диоксида кремния с высокой отражательной способностью в солнечном диапазоне спектра.
2. Исследовать кристаллическую структуру и морфологию полученных полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния.
3. Выполнить анализ закономерностей изменения спектров диффузного отражения и интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния в зависимости от условий действия различных видов излучений.
4. Исследовать изменения интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния при длительном действии излучений, выполнить анализ кинетики накопления точечных дефектов.
5. Установить закономерности изменения спектров диффузного отражения и интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения покрытий на основе полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния при воздействии ионизирующих излучений.
6. Разработать схемы и модели физических процессов, проходящих при облучении полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния.
Объекты исследования
Сплошные объемные микро- и наночастицы AI2O3 и SiO2. Полые субмикро- и микрочастицы оксида алюминия. Полые нано-, субмикро-, микро-, субмакрочастицы диоксида кремния.
Предмет исследования
Собственные и индуцированные точечные дефекты в наноструктурированных материалах на основе оксида алюминия и диоксида кремния при облучении протонами и электронами, обусловливающие изменение отражательной способностью в солнечном диапазоне спектра.
Научная новизна исследования заключается в изучении закономерности изменения спектров диффузного отражения и интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния в зависимости от видов излучения, а именно:
1. Установлены закономерности изменения спектров диффузного отражения и интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения порошков полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния в зависимости от размера частиц и видов излучений.
2. Исследованы типы дефектов наведенного поглощения, типы хемосорбированных газов, образующихся в порошках, полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния.
3. Определены оптимальные размеры полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния, обладающих высокой радиационной стойкостью к воздействию протонов.
4. Выявлены закономерности деградации спектров диффузного отражения и интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения при длительном воздействии электронов на полые частицы оксида алюминия и диоксида кремния.
5. Дано объяснение физическим процессам, происходящим при облучении и обусловливающим уменьшение концентрации центров поглощения полых частиц по сравнению с объемными частицами.
6. Исследованы спектры диффузного отражения и интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения покрытий, изготовленных на основе полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния, до и после облучения протонами и электронами.
Теоретическая и практическая значимость исследования заключается в определении условий получения полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния различных размеров и на их основе - покрытий с высокой отражательной способностью в солнечном диапазоне спектра, в установлении закономерности изменений их оптических свойств к воздействию протонов и электронов подпороговых энергий.
Предполагаемые формы внедрения ожидаемых результатов
Результаты исследований могут быть использованы в космической технике при разработке новых терморегулирующих покрытий, необходимых для поддержания теплового режима космических аппаратов при длительных сроках эксплуатации. Они также могут применяться в строительной индустрии как теплоизоляционные материалы, подверженные действию ионизирующих излучений.
Методология диссертационного исследования
В основу работы принята гипотеза о том, что в полых частицах в области, где отсутствует материал, центры поглощения, обусловливающие деградацию оптических свойств материала, возникать не могут, а индуцированные ионизирующим излучением точечные дефекты могут рекомбинировать в тонком сферическом слое таких полых частиц.
Предполагается, что большая часть ионизирующего излучения будет создавать центры окраски на достаточной глубине материала компактированного из полых частиц так, чтобы в наименьшей степени влиять на отражательную способность материала в солнечном диапазоне спектра.
Для анализа структуры объектов исследования были использованы методы структурной рентгенографии и растровой электронной микроскопии. Оценка радиационной стойкости осуществлялась с применением УФ-видимой-ИК спектроскопии и рентгеновской
фотоэлектронной спектроскопии до и после воздействия протонов и электронов.
Положения, выносимые на защиту
1. Метод синтеза полых частиц ЛЬОэ и SiO? путем осаждения прекурсоров на шаблоны из полистирола позволяет получить полые частицы сферической формы с высокой отражательной способностью.
2. Радиационная стойкость к воздействию протонов и электронов полых микрочастиц AI2O3 выше, чем объемных сплошных микро- и наночастиц, что объясняется меньшей концентрацией центров поглощения, обусловленных междоузельным кислородом и вакансиями по кислороду.
3. Радиационная стойкость к воздействию протонов и электронов полых микро- и субмакрочастиц SiO? выше, чем объемных сплошных микро- и наночастиц, что обусловлено меньшей концентрацией поверхностных E’g, Е’р, Е - центров и дефектов, связанных с немостиковым кислородом и пероксидными группами кремния.
4. Радиационная стойкость покрытий на основе кремнийорганического лака и полых микрочастиц AI2O3 и SiO? к воздействию протонов энергией 100 кэВ флюенсом 5’1015 см-2 выше, чем у покрытий на основе объемных сплошных микрочастиц, на 5,6 % и 16 % соответственно. Радиационная стойкость покрытий на основе кремнийорганического лака и полых микрочастиц AI2O3 и SiO? к воздействию электронов энергией 30 кэВ флюенсом 5’1015 см-2 выше, чем у покрытий на основе объемных сплошных микрочастиц, на 16,6 % и 40,5 % соответственно.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на российских и международных конференциях: Fifth Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials, Vladivostok, Russia, July 30 - August 03, 2020; XLIX Международная Тулиновская конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 28-30 мая 2019 г.; Международная научная конференция «Полифункциональные химические материалы и технологии», Томск, 22-25 мая 2019 г.; Proceedingsof 2018 ASRTUMeetinginGuangzhou, Guangzhou, P. R. China, November 22-25, 2018; Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», Томск, 1-5 октября 2018 г.; Российская национальная научная конференция с международным участием «Современные проблемы науки», Благовещенск, 22 декабря 2017 г.
Публикации по теме диссертации
Основной материал диссертации изложен в 19 публикациях, из них 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, цитируемых Scopus и Web of Science, в 1 патенте на изобретение, остальные - в тезисных докладах на всероссийских и международных конференциях. Список публикаций приведен в конце диссертации.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 147 страницах, включает 88 рисунков и 11 таблиц. Список цитированной литературы - 290 работ отечественных и зарубежных авторов.
Личный вклад автора
Автор участвовал в постановке решаемых задач, в получении всех научных результатов, изложенных в рамках диссертации, лично или в соавторстве. Экспериментальные исследования по синтезу полых частиц, изучению их структуры и свойств, обработка и анализ полученных результатов и сопоставление их с литературными данными осуществлялись автором лично, под руководством научного руководителя. Экспериментальная часть работы выполнена в Харбинском политехническом университете, Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, Амурском государственном университете самим автором или при его непосредственном участии. По результатам, полученным в работе, написаны статьи (в соавторстве), сделаны доклады на российских и международных научных конференциях.

Купить

В данной диссертационной работе определены условия синтеза, осуществлен синтез и получены порошки полых частиц оксида алюминия и диоксида кремния с высокой отражательной способностью в солнечном диапазоне спектра. Исследованы оптические свойства и радиационная стойкость полых, микро- и наночастиц оксида алюминия и диоксида кремния. Установлена высокая стабильностью оптических свойств к действию протонов и электронов синтезированных частиц и покрытий, изготовленных на их основе.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие общие выводы.
1. Разработана технология получения порошков полых частиц AI2O3 и SiO2 с высокой отражательной способностью на основе полистирольных сферических частиц в качестве растворимой подложки.
2. Выполнены исследования структуры, спектров диффузного отражения синтезированных полых частиц различных размеров AI2O3 и SiO2. Установлены закономерности изменения концентрации собственных точечных дефектов, концентрации свободных электронов и хемосорбированных газов на поверхности микро-, нано- и синтезированных полых частиц AI2O3 и SiO2 при облучении протонами и электронами. Предложены механизмы взаимодействия протонов с полыми частицами AI2O3 и SiO2 и механизмы образования радиационных дефектов.
3. Установлено, что отражательная способность порошков субмикронных и микронных размеров полых частиц оксида алюминия, полученных осаждением наночастиц оксида алюминия на полистирольные частицы с последующим их удалением, - свыше 60 % во всем спектральном диапазоне.
4. Радиационная стойкость микросфер оксида алюминия к воздействию протонов энергией 100 кэВ флюенсом 5’1015 см-2 выше по сравнению с радиационной стойкостью субмикросфер, микро- и наночастиц оксида алюминия на 16 %, 40 %, 33 % соответственно. Радиационная стойкость микросфер оксида алюминия к воздействию электронов энергией 30 кэВ флюенсом до 7’1016 см-2 выше радиационной стойкости микро- и наночастиц оксида алюминия на 19 % и 15 %.
5. Увеличение радиационной стойкости полых частиц микронных размеров оксида алюминия по сравнению с радиационной стойкостью объемных микрочастиц обусловлено малой концентрацией наведенных дефектов анионной подрешетки.
6. Установлено, что отражательная способность порошков полых частиц диоксида кремния, синтезированных с применением шаблонов из полистирольных частиц с последующим их удалением, - свыше 75 % в видимой части спектра.
7. Радиационная стойкость микросфер и субмакросфер диоксида кремния к воздействию протонов энергией 100 кэВ флюенсом 5’1015 см-2 выше, чем радиационная стойкость микрочастиц и наночастиц, на 25 % и 70 % соответственно. Радиационная стойкость микросфер диоксида кремния к воздействию электронов энергией 30 кэВ флюенсом до 7’1016 см-2 по сравнению с радиационной стойкостью микрочастиц и наночастиц диоксида кремния выше на 36 % и 64 % соответственно.
8. Увеличение радиационной стойкости полых частиц микронных размеров оксида алюминия по сравнению с объемными микрочастицами обусловлено малой концентрацией индуцированных дефектов Е, Е’з, Е’р-центров.
9. Установлено, что покрытия с пигментом из полых частиц AI2O3 обладают большей на 5,6 % радиационной стойкостью по сравнению с покрытиями на основе микрочастиц AI2O3; покрытия с пигментом из полых частиц SiO2 обладают большей на 16 % радиационной стойкостью по сравнению с покрытиями на основе микрочастиц SiO2.
В заключение автор выражает глубокую благодарность доктору физико-математических наук, доценту В.В. Нещименко, под руководством которого выполнялась данная работа. Особая благодарность автора - научному консультанту, заслуженному деятелю науки РФ, доктору физико-математических наук, профессуру М.М. Михайлову за поддержку в организации экспериментов и консультации по интерпретации полученных экспериментальных данных.
Автор выражает искреннюю признательность коллективам лаборатории радиационного и космического материаловедения Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, лаборатории оценки воздействия факторов космического пространства на материалы Харбинского политехнического университета, а также лаборатории космического материаловедения Амурского государственного университета, в которых выполнялись на протяжении нескольких лет диссертационные исследования.
Купить