| تاریخ ارسال: 1403/2/8 |
کریستالیزاسیون شیشههای هیبرید شده استراتژی کلی و آسان برای ساخت سرامیکهای شفاف را ارائه میدهد
.png)
تصویر میکروسکوپی از سرامیک شفاف BaAl۲Si۲O۸-LaF۳ که از یک شیشه هیبرید تهیه شده است.
در شماره ژانویه/فوریه ۲۰۲۳ بولتنACerS ، آکیو ایکسو، همکارACerS، رئیس شرکتWorld-Lab. در ناگویا، ژاپن، پیشرفتهای اخیر و پتانسیل سرامیکهای نوری را توصیف میکند .سرامیکهای نوری، سرامیکهای پلی کریستالین با عملکرد نوری برابر یا بیشتر از تک کریستالها هستند. اگرچه اکثر دانشمندان مواد به طور سنتی معتقد بودند که پراکندگی سرامیکها با مرزدانهها همیشه بسیار بزرگتر از تکبلورها خواهد بود، از دهه ۱۹۹۰، محققان دریافتند که اتلاف نوری کم و یکنواختی نوری بالا را میتوان در سرامیکهای سنتز شده از طریق واکنش حالت جامد به دست آورد. فرایندها بااینحال، روشهای زینترینگ فعلی و اولیه که برای بهدستآوردن سرامیکهای شفاف با درجه نوری و (کیفیت پایینتر) استفاده میشوند، توسط شرایط پردازش شدید؛ مانند دما و فشار بالا یا پلاسمای جرقه محدود میشوند که برای ازبینبردن ریز منافذ نامطلوب ضروری است.
علاوه بر این، به جز روشهای چاپ سهبعدی، این روشها از مشکلاتی در تغییر شکل مواد رنج میبرند و محصولات موجود معمولاً بهصورت بالک هستند؛ بنابراین، کوچککردن سرامیکهای با درجه نوری و شفاف به سطح میکرو مقیاس چالشبرانگیز است. بر خلاف این روشهای پردازش مرسوم، تبلور شیشه یک رویکرد جدیدتر برای ایجاد سرامیکهای شفاف است که دارای چندین مزیت است. مثلاً:
علاوه بر این، به جز روشهای چاپ سهبعدی، این روشها از مشکلاتی در تغییر شکل مواد رنج میبرند و محصولات موجود معمولاً بهصورت بالک هستند؛ بنابراین، کوچککردن سرامیکهای با درجه نوری و شفاف به سطح میکرو مقیاس چالشبرانگیز است. بر خلاف این روشهای پردازش مرسوم، تبلور شیشه یک رویکرد جدیدتر برای ایجاد سرامیکهای شفاف است که دارای چندین مزیت است. مثلاً:
- شرایط تولید در دسترس: تولید سرامیک شفاف از طریق کریستالیزاسیون شیشه فقط به عملیات حرارتی در فشار اتمسفر نیاز دارد و دمای عملیات حرارتی معمولاً زیر ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد است.
- کاهش اندازه آسان: بدون محدودیت شرایط فشار، کوچککردن سرامیکهای شفاف آسانتر و راحتتر میشود.
- شکلدهی آسان: شیشه این مزیت را دارد که بهراحتی از طریق فناوریهای قالبگیری مرسوم شکل میگیرد. با استفاده از این فناوریها برای شکلدهی شیشههای پیشساز، میتوان بهراحتی به سرامیکهای شفاف با اشکال مختلف دست یافت.
بااینحال، چالشهایی برای ارضای الزامات سخت و متضاد توانایی عالی شکلدهی شیشه و تمایل به تبلور متراکم ذاتی درحالیکه الزامات شفافیت بالا را برآورده میکنند، وجود دارد؛ بنابراین، محققان تا به امروز تنها تعداد محدودی از سرامیکهای شفاف مشتق شده از شیشه تولید کردهاند.
در مقالهای جدید، محققان دانشگاه فناوری چین جنوبی و دانشگاه ژجیانگ در چین و همچنین یکی از همکارانش از دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور، یک استراتژی کلی برای ساخت سرامیکهای شفاف دوفاز از شیشههای آلومینوسیلیکات هیبرید شده متشکل از اکسیدها و فلوراید ارائه کردند محققان توضیح میدهند که در مقایسه با سایر سیستمهای شیشهای، شیشههای هیبرید شده حاوی اکسید و فلوراید انعطافپذیری قوی در فرایند تبلور از خود نشان میدهند.
"ورود فلوراید در شیشه هیبرید شده شبکه شیشه را می شکند، که باعث کاهش ویسکوزیته ماتریس شیشه میشود و انتشار و مهاجرت را آسان تر میکند. بنابراین، شیشه هیبرید شده دارای سد انرژی کمتری برای کریستال شدن است. علاوه بر این، "تضاد قابل توجه در تمایل به تبلور اکسیدها و فلوراید از ماتریس اکسید اجازه میدهد تا منحنی مختصات تبلور را به مراحل مختلف گسسته تغییر دهید و تبلور متراکم را در شرایط ملایم ممکن میکند."برای مطالعه خود، محققان شیشههای هیبرید BaAl۲Si۲O۸-LaF۳ (BASL) را با استفاده از روش ذوب-کونچ سنتز کردند. سپس شیشه را در دماهای مختلف بین ۷۸۰ تا ۸۶۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲.۵ ساعت در هوا تحت عملیات حرارتی قرار دادند تا تبلور ایجاد شود. نمونه عملیات حرارتی در ۸۶۰ درجه سانتیگراد به بالاترین تبلور (~۹۲٪) دستیافت. تجزیه و تحلیلهای میکروسکوپی نشان داد که دارای یک ریزساختار چند مقیاسی و بههمپیوسته متشکل از حوزههای کریستالی LaF۳ در مقیاس نانو است که به طور همگن در فاز کریستالی BaAl۲Si۲O۸ در مقیاس میکرو قرار گرفتهاند. جالبتوجه است که ضریب شکست کریستالهای BaAl۲Si۲O۸ و LaF۳ به ترتیب ۱.۶۱ و ۱.۶۰ بود، بنابراین از پراکندگی بین آنها جلوگیری شد. علاوه بر این، ضریب شکست شیشه و سرامیک شفاف به ترتیب ۱.۶۰۳ و ۱.۵۹۸ در طولموج ۶۳۳ نانومتر اندازهگیری شد و این شباهت به شفافیت خوب نمونه کمک کرد.
هنگامی که تجزیه و تحلیل نمونههای حجیم کامل شد، محققان از همان فرایند برای کریستالیزه کردن شیشههایی با هندسه الیاف استفاده کردند. الیاف سرامیکی شفاف حاصل از BaAl۲Si۲O۸ و LaF۳ در فازهای کریستالی متعدد اما با ساختار کلی کریستالی بسیار همگن تشکیل شده است. مانند نمونه انبوه، فیبر سرامیکی شفاف نیز شفافیت نوری عالی را نشان داد. بر اساس این نتایج امیدبخش، محققان سعی کردند سایر ترکیبات شیشهای هیبرید شده را بسازند. ترکیبات جدید BaAl۲Si۲O۸ با SrAl۲Si۲O۸ (SASL) و LaF۳ با GdF۳ (BASG) جایگزین شده همچنین بلورینگی بالایی (به ترتیب ۸۹ و ۹۳ درصد) و شفافیت نوری را نشان دادند. دستیابی به این نتایج فقط به یک تغییر کوچک در دمای عملیات حرارتی ایدهآل نیاز داشت (به ترتیب از ۸۶۰ درجه سانتیگراد به ۸۳۰ درجه سانتیگراد و ۸۵۰ درجه سانتیگراد کاهش یافت). سرامیکهای شفاف بر اساس سیستمهای هیبرید Ba۳Si۵O۱۳-BaF۲ و NaAlSiO۴-LiF نیز با موفقیت ساخته شدند. محققان همچنین امکان کاربردیکردن سرامیکهای شفاف دوفاز را از طریق دوپینگ با فعالکنندههای لومینسانس کمیاب خاکی مختلف نشان دادند. سرامیکهای شفاف BASL دوپ شده با سریم، یوروپیوم، تربیوم، دیسپروزیم و ساماریوم تحت تحریک با نور ماورا بنفش (۳۶۵ نانومتر) به ترتیب نشر نور آبی روشن، لاجوردی، آکوامارین، زرد و نارنجی را نشان دادند.
علاوه بر این، محققان از سرامیک شفاف برای ساخت یک دستگاه تصویربرداری رادیوگرافی استفاده کردند و با موفقیت کاربرد آن را برای تصویربرداری اشعه ایکس نشان دادند. در نهایت، محققان به این نتیجه رسیدند که این استراتژی طیف گستردهای از ویژگیهای مفید را نشان میدهد، از جمله عمومیت، جایی که استراتژی برای سرامیکها و الیاف شفاف با ترکیبات شیمیایی، فازها، ریزساختارها و مورفولوژیهای مختلف مناسب است.
پردازش آسان، جایی که میتوان از شرایط خارجی سخت فن آوری سرامیک معمولی مانند دما و فشار بالا اجتناب کرد و پتانسیل برای عملکرد بیشتر، جایی که سرامیک را میتوان با مراکز شبتاب برای کاربردهای مختلف فوتونیک فعال کرد.
شیفنگ ژو، نویسنده ارشد و استاد دانشگاه فناوری چین جنوبی، در ایمیلی میگوید: این مطالعه نقطه عطف مهمی در توسعه سرامیکهای نوری شفاف جدید است. ژو میگوید که استفاده از این تکنیک ساخت برای سیستمهای مواد بیشتری در حال انجام است. او میگوید در حالت ایدهآل، در آینده، این استراتژی ساخت «مسیری فنی جدید برای تهیه محصولات سرامیکی شفاف تجاری و صنعتی» فراهم میکند.
در مقالهای جدید، محققان دانشگاه فناوری چین جنوبی و دانشگاه ژجیانگ در چین و همچنین یکی از همکارانش از دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور، یک استراتژی کلی برای ساخت سرامیکهای شفاف دوفاز از شیشههای آلومینوسیلیکات هیبرید شده متشکل از اکسیدها و فلوراید ارائه کردند محققان توضیح میدهند که در مقایسه با سایر سیستمهای شیشهای، شیشههای هیبرید شده حاوی اکسید و فلوراید انعطافپذیری قوی در فرایند تبلور از خود نشان میدهند.
"ورود فلوراید در شیشه هیبرید شده شبکه شیشه را می شکند، که باعث کاهش ویسکوزیته ماتریس شیشه میشود و انتشار و مهاجرت را آسان تر میکند. بنابراین، شیشه هیبرید شده دارای سد انرژی کمتری برای کریستال شدن است. علاوه بر این، "تضاد قابل توجه در تمایل به تبلور اکسیدها و فلوراید از ماتریس اکسید اجازه میدهد تا منحنی مختصات تبلور را به مراحل مختلف گسسته تغییر دهید و تبلور متراکم را در شرایط ملایم ممکن میکند."برای مطالعه خود، محققان شیشههای هیبرید BaAl۲Si۲O۸-LaF۳ (BASL) را با استفاده از روش ذوب-کونچ سنتز کردند. سپس شیشه را در دماهای مختلف بین ۷۸۰ تا ۸۶۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲.۵ ساعت در هوا تحت عملیات حرارتی قرار دادند تا تبلور ایجاد شود. نمونه عملیات حرارتی در ۸۶۰ درجه سانتیگراد به بالاترین تبلور (~۹۲٪) دستیافت. تجزیه و تحلیلهای میکروسکوپی نشان داد که دارای یک ریزساختار چند مقیاسی و بههمپیوسته متشکل از حوزههای کریستالی LaF۳ در مقیاس نانو است که به طور همگن در فاز کریستالی BaAl۲Si۲O۸ در مقیاس میکرو قرار گرفتهاند. جالبتوجه است که ضریب شکست کریستالهای BaAl۲Si۲O۸ و LaF۳ به ترتیب ۱.۶۱ و ۱.۶۰ بود، بنابراین از پراکندگی بین آنها جلوگیری شد. علاوه بر این، ضریب شکست شیشه و سرامیک شفاف به ترتیب ۱.۶۰۳ و ۱.۵۹۸ در طولموج ۶۳۳ نانومتر اندازهگیری شد و این شباهت به شفافیت خوب نمونه کمک کرد.
هنگامی که تجزیه و تحلیل نمونههای حجیم کامل شد، محققان از همان فرایند برای کریستالیزه کردن شیشههایی با هندسه الیاف استفاده کردند. الیاف سرامیکی شفاف حاصل از BaAl۲Si۲O۸ و LaF۳ در فازهای کریستالی متعدد اما با ساختار کلی کریستالی بسیار همگن تشکیل شده است. مانند نمونه انبوه، فیبر سرامیکی شفاف نیز شفافیت نوری عالی را نشان داد. بر اساس این نتایج امیدبخش، محققان سعی کردند سایر ترکیبات شیشهای هیبرید شده را بسازند. ترکیبات جدید BaAl۲Si۲O۸ با SrAl۲Si۲O۸ (SASL) و LaF۳ با GdF۳ (BASG) جایگزین شده همچنین بلورینگی بالایی (به ترتیب ۸۹ و ۹۳ درصد) و شفافیت نوری را نشان دادند. دستیابی به این نتایج فقط به یک تغییر کوچک در دمای عملیات حرارتی ایدهآل نیاز داشت (به ترتیب از ۸۶۰ درجه سانتیگراد به ۸۳۰ درجه سانتیگراد و ۸۵۰ درجه سانتیگراد کاهش یافت). سرامیکهای شفاف بر اساس سیستمهای هیبرید Ba۳Si۵O۱۳-BaF۲ و NaAlSiO۴-LiF نیز با موفقیت ساخته شدند. محققان همچنین امکان کاربردیکردن سرامیکهای شفاف دوفاز را از طریق دوپینگ با فعالکنندههای لومینسانس کمیاب خاکی مختلف نشان دادند. سرامیکهای شفاف BASL دوپ شده با سریم، یوروپیوم، تربیوم، دیسپروزیم و ساماریوم تحت تحریک با نور ماورا بنفش (۳۶۵ نانومتر) به ترتیب نشر نور آبی روشن، لاجوردی، آکوامارین، زرد و نارنجی را نشان دادند.
علاوه بر این، محققان از سرامیک شفاف برای ساخت یک دستگاه تصویربرداری رادیوگرافی استفاده کردند و با موفقیت کاربرد آن را برای تصویربرداری اشعه ایکس نشان دادند. در نهایت، محققان به این نتیجه رسیدند که این استراتژی طیف گستردهای از ویژگیهای مفید را نشان میدهد، از جمله عمومیت، جایی که استراتژی برای سرامیکها و الیاف شفاف با ترکیبات شیمیایی، فازها، ریزساختارها و مورفولوژیهای مختلف مناسب است.
پردازش آسان، جایی که میتوان از شرایط خارجی سخت فن آوری سرامیک معمولی مانند دما و فشار بالا اجتناب کرد و پتانسیل برای عملکرد بیشتر، جایی که سرامیک را میتوان با مراکز شبتاب برای کاربردهای مختلف فوتونیک فعال کرد.
شیفنگ ژو، نویسنده ارشد و استاد دانشگاه فناوری چین جنوبی، در ایمیلی میگوید: این مطالعه نقطه عطف مهمی در توسعه سرامیکهای نوری شفاف جدید است. ژو میگوید که استفاده از این تکنیک ساخت برای سیستمهای مواد بیشتری در حال انجام است. او میگوید در حالت ایدهآل، در آینده، این استراتژی ساخت «مسیری فنی جدید برای تهیه محصولات سرامیکی شفاف تجاری و صنعتی» فراهم میکند.
مقاله مرجع:
The paper, published in Advanced Materials, is “Hybridization engineering of oxyfluoride aluminosilicate glass for construction of dual-phase optical ceramics”
(DOI: ۱۰.۱۰۰۲/adma.۲۰۲۲۰۵۵۷۸).
منبع:
ترجمه: مهندس فاطمه قاسم زاده، دانشگاه صنعتی شریف