Научный руководитель: Фофанов Анатолий Дмитриевич, доктор физико-математических наук
Соавторы: Репникова Екатерина Алексеевна, Макаров Виктор Николаевич

Исследования многокомпонентных стекол представляет большой интерес, как с научной точки зрения, так и в области практического применения в изучении структуры аморфных объектов и создания новых технологий производства материалов. К настоящему времени нет достаточного количества работ в этой области. В работе проводилось исследование рентгенографическими методами ближнего порядка и микронеоднородностей структуры стекол системы диопсид(CaMgSi₂O₆)-ортоклаз(KAlSi₃O₈) -апатит(Ca₃(PO₄)₃F). Химические формулы для двух характерных образцов (содержание каждого сорта атомов дано в атомных единицах массы) 1)O_0,608Si_0,184Al_0,012K_0,008Ti_0,0008Ca_0,092Fe_0,0077P_0,0155F_0,0052Mg_0,0631Na_0,0024 2)O_0,6134Si_0,1446Al_0,011K_0,0081Ti_0,00066Ca_0,105Fe_0,0058P_0,047F_0,016Mg_0,048Na_0,0021.

Рентгенографирование с целью определения параметров ближнего упорядочения проводилось на автоматизированном дифрактометре ДРОН-3.0 в Mo-Ka рентгеновском излучении с монохроматизацией первичного и дифрагировавшего пучков в геометрии на отражение и интервале по s (s=4p sinq /l , где s - дифракционный вектор; q - угол дифракции; l - длина волны излучения) от 0,35 до 16,6 A^-1. Расчеты параметров ближнего порядка проводили по методу Уоррена-Финбака [1,2], который позволяет проанализировать отличия в структуре ближнего порядка на большом количестве координационных сфер с высокой точностью.

Установлено, что многокомпонентные стекла на основе горнопромышленных отходов системы диопсид-ортоклаз-апатит имеют аморфную структуру в области ближнего порядка, сходную со структурой диопсида. Например, радиусы координационных сфер Si-O, Fe-O, Ca-Mg в кристаллическом диопсиде соответственно 1.63, 1.76, 3.53 A, а их координационные числа 4, 6, 2.5, а для образца №1 для тех же координационных сфер соответствующие показатели 1.65, 1.83, 3.56 A и 3.9+ 0.1, 5.6+ 0.5, 2.8+ 0.2. Технология изготовления стекла (увеличение содержания апатита) оказывает существенное влияние на характер ближнего упорядочения атомов, что выражается в росте вклада фосфорокислородных связей, являющихся более жесткими, чем кремнекислородные, в структуру ближнего порядка. Это вызывает рост упорядочения в исследуемых стеклах при переходе из области гомогенного состава в область ликвации, что выражается в уменьшении дисперсии межатомных расстояний в пределах каждой координационной сферы.

Рентгенографирование с целью изучения микронеоднородной структуры проводилось в малоугловой рентгеновской камере КРМ-1 в медном, фильтрованном никелем излучении. В качестве образцов использовались тонкие шлифы исследуемых стекол. После введения поправки на поглощение излучения образцом и перевода относительных единиц интенсивности рассеяния в электронные, пользовались методом Гинье [3] для расчета радиусов инерции неоднородностей электронной плотности. Методом проведения съемки образца под различными углами к первичному пучку определялась форма рассеивающих неоднородностей. Кроме того, общий объем, занимаемый неоднородностями, устанавливался методом инварианта интенсивности, не требующим информации об их форме. В результате установлено, что в исследуемых образцах имеются области неоднородности электронной плотности с составом, близким к кристаллическому апатиту. С ростом содержания апатита происходит их укрупнение. Так образцы, гомогенные по своему составу имеют неоднородности радиусов инерции порядка 55 A, а образцы стекла, испытавшие фазовое разделение - 74 A. Значительно возрастает в ходе изменения химического состава и общий объем, занимаемый неоднородностями (с 0.45% до 3.1%). Этот результат хорошо согласуется с данными, свидетельствующими о росте ближнего упорядочения в предположении, что он связан с образованием в аморфной матрице стекла (в процессе ликвации) микровключений твердой фазы, близкой по своей структуре к кристаллической.

[3] Гинье А. Рентгенография кристаллов. М.:Физматгиз, 1961.