Физики ТПУ изготовили люминофорную керамику за секунды

Изображение: (сс) RavindraPanwar
Инновация. Наука
Инновация. Наука
Инновация. Наука

Цикл экспериментов по экспресс-изготовлению различного типа керамик, увенчавшихся созданием на стенде УНУ ЭЛВ-6 люминесцентной керамики промышленного качества буквально за секунды, провели специалисты Томского политехнического университета (ТПУ) и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера (ИЯФ СО РАН), 5 октября сообщает пресс-служба ИЯФ СО РАН.

Поскольку синтез подобных материалов с использованием традиционных методов требует десятки часов, можно утверждать, что одна такая установка сможет обеспечить мировые потребности в некоторых типах люминофорной керамики, считают исследователи.

Люминофоры представляют собой кристаллические многокомпонентные системы. Технология их производства в большинстве случаев использует твердофазные реакции, при которых температуры плавления компонентов могут достигать 2–3 тыс. градусов Цельсия.

Профессор ТПУ доктор физико-математических наук Виктор Лисицын пояснил:

«Смешиваемые компоненты имеют разные температуры плавления. Для облегчения процесса синтеза термическими методами в исходные смеси добавляют дополнительные вещества, от которых потом нужно избавляться. Термические технологии очень чувствительны к режимам сложной совокупности операций, предыстории исходных веществ. Поэтому синтез люминофоров проводится в условиях строгого соблюдения технологического регламента, разного у разных производителей».

Поскольку и другие методы производства люминофоров имеют аналогичные недостатки, то учеными проводятся исследования по совершенствованию технологий их синтеза.

Физики ТПУ исследуют возможности синтеза различных типов керамики с помощью воздействия пучка электронов. Такой синтез возможен, так как под воздействием радиации материалы приближаются к состоянию, близкому к плазменному.

Этот метод позволяет спекать вещества, изменяя для различных целей, в том числе исследовательских, состав компонентов, что позволяет в керамике сложного состава оценивать влияние различных примесей на свойства конечного материала.

Промышленный ускоритель электронов ИЯФ СО РАН, на котором проводились эксперименты, имеет статус Уникальной научной установки (Стенд УНУ ЭЛВ-6).

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Михаил Голковский рассказал о том, как проходит синтез керамики на установке:

«Энергия электронов в пучке может варьироваться по желанию заказчика от 1 до 2,5 МэВ. Такое значение энергии позволяет пронизывать слой порошка с массовой толщиной около 1 г/см², что в среднем соответствует толщине слоя порошка около 1 см. Перед облучением порошок с толщиной слоя, несколько превышающей указанную толщину, помещается в массивный медный тигель и перемещается под сканирующим электронным пучком перпендикулярно направлению сканирования. Происходит синтез керамики требуемого состава за счет сплавления исходных порошковых компонентов».

Голковский отметил преимущества нового метода спекания керамики: «Продолжительность синтеза из исходных порошковых компонентов составляет секунды, в то время, как процесс изготовления керамик традиционными методами обычно включает несколько стадий и может продолжаться несколько суток. В связи с тем, что для синтеза используются инертные к воздействию атмосферы исходные материалы, в процессе синтеза не происходит изменения химического состава исходной смеси. Кроме того, при таком методе создания материала в него не вносятся загрязнения».

Однако перед применением люминофорной керамики ее необходимо размолоть, а она, как и большинство керамик, обладает высокой твердостью. Но эту проблему, как указал Виктор Лисицын, можно решить с использованием как электроразрядных, так и механических методов.

Михаил Голковский рассказал, что порошок из люминофорной керамики наносят тонким слоем на поверхности выхода света светоизлучающих приборов, таких как газоразрядные люминесцентные и светодиодные лампы освещения, светодиоды белого света в различных электронных приборах, фонариках и пр. Он же применяется для светодиодной подсветки жидкокристаллических экранов компьютеров, телевизоров и сотовых телефонов.

Исследования по получению разнообразных керамик из исходных компонентов на стенде УНУ ЭЛВ-6 проводятся под руководством профессора ТПУ Виктора Лисицына. На стенде синтезируются различные типы материалов, но особо заметный успех достигнут в получении люминесцирующих керамик.

Учеными синтезированы люминофоры на основе иттрий алюминиевого граната (YAG), фторида магния (MgF₂), фторида бария (BaF₂), оксида магния (MgO), магниевого алюмината (MgAl₂O₄).

В настоящее время ведутся работы по повышению функциональных свойств этих керамик для различных приложений, а также по расширению круга синтезируемых тугоплавких керамик.

Кроме того, в рамках гранта РНФ № 23-73-00108 «Экспресс-технология радиационного синтеза высокотемпературной оксидной керамики для фотоники» проводятся исследования физико-химических процессов, происходящих при радиационном синтезе.