Verdichtung in transparenten SiO2-Gläsern, hergestellt durch Funkenplasmasintern

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14761 (2022) Diesen Artikel zitieren

1442 Zugriffe

3 Zitate

Details zu den Metriken

In letzter Zeit hat sich das Funkenplasmasintern (SPS) zu einer attraktiven Methode zur Herstellung von Festkörperkeramiken entwickelt. Da es sich bei SPS um einen druckunterstützten Niedertemperaturprozess handelt, ist es wichtig, die Auswirkungen von Temperatur und Druck auf die strukturellen Eigenschaften der vorbereiteten Proben zu untersuchen. In der vorliegenden Studie untersuchten wir den Zusammenhang zwischen den Herstellungsbedingungen und den physikalischen und strukturellen Eigenschaften von durch SPS hergestellten SiO2-Gläsern. Im Vergleich zum herkömmlichen SiO2-Glas weisen die SPS-SiO2-Gläser eine höhere Dichte und einen höheren Elastizitätsmodul auf, weisen jedoch einen ersten scharfen Beugungspeak des Röntgen-Gesamtstrukturfaktors mit geringerer Höhe auf. Mikro-Raman- und Mikro-IR-Spektren deuten auf die Bildung heterogener Regionen an der Grenzfläche zwischen den SiO2-Pulvern und dem Graphitstempel hin. In Anbetracht der in optischen Absorptionsspektren beobachteten Defektbildung beeinflusst die Reduktionsreaktion hauptsächlich die Verdichtung von SPS-SiO2-Glas. Daher ist die Reaktion an der Grenzfläche wichtig für die Anpassung der Struktur und physikalischen Eigenschaften von Festkörpermaterialien, die mit der SPS-Technik hergestellt werden.

Keramik hat unter dem Gesichtspunkt funktioneller Materialien mit hervorragender thermischer Stabilität und chemischer Beständigkeit Aufmerksamkeit erregt. Im Hinblick auf die Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) ist die Herstellung funktionaler Materialien nicht nur wissenschaftlich, sondern auch ökologisch wichtig. Da transparente Keramik für verschiedene optische Anwendungen verwendet wird, wurden die verfügbaren Herstellungsmethoden und Materialien weltweit untersucht. Die Synthese konventioneller Keramik erfordert Energie, und ein energieloser Herstellungsprozess ist ein wichtiger Aspekt der SDGs. Eine Herstellungsmethode zur Herstellung transparenter Materialien ist das Spark-Plasma-Sintern (SPS)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden zur Keramiksynthese ermöglicht das SPS-Verfahren das Sintern bei niedrigerer Temperatur und kürzerer Zeit durch die Nutzung elektrischer Energie und der hohen Energie des Entladungsplasmas1. Obwohl die Größe des erhaltenen Feststoffs begrenzt ist, ist das Sintern bei hohem Druck und niedriger Temperatur attraktiv für die Herstellung neuartiger funktioneller Materialien wie Leuchtstoffe7,8,9,10.

Es wurde berichtet, dass sich die Eigenschaften von Feststoffmaterialien, die durch SPS erhalten werden, von denen herkömmlicher Materialien oder Materialien, die durch herkömmliches Sintern erhalten werden, unterscheiden. Da die SPS-Technik für die Herstellung von Materialien entwickelt wurde, scheint die Funktionalität für Forscher oberste Priorität zu haben. Detaillierte Untersuchungen physikalischer und struktureller Eigenschaften sind nicht nur für die Materialanalyse, sondern auch für die Verbesserung der SPS-Technik wichtig. Dennoch wird die mikroskopische Strukturanalyse mittels Spektroskopie als zweitrangig gegenüber der Untersuchung der Funktionalität betrachtet.

SiO2-Glas wird als grundlegendes optisches Material mit hoher Haltbarkeit und chemischer Stabilität in optischen Fasern und Substraten verwendet. Aufgrund der hohen Temperaturen bei der Herstellung wurden mehrere Versuche unternommen, SiO2-Glas bei niedrigen Temperaturen herzustellen; Dazu gehören Flüssigphasenmethoden (wie Sol-Gel) und SPS. Über von SPS hergestelltes SiO2-Glas wurde erstmals in den 1990er Jahren berichtet. Über die Lumineszenz von SiO2-Glas, das durch Sintern hergestellte Aktivatoren enthält, wurde ebenfalls berichtet7,8,9,10. Da SiO2-Gläser, die mit unterschiedlichen Methoden hergestellt wurden, für unterschiedliche Zwecke und Anwendungen unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, ist es sehr wichtig, den Zusammenhang zwischen der Struktur und den physikalischen Eigenschaften des hergestellten SiO2-Glases zu untersuchen. Eine detaillierte Untersuchung der Struktur von SPS-SiO2-Glas fehlt jedoch. In dieser Studie führten wir eine Strukturanalyse von SiO2-Glas durch, das mit der SPS-Methode hergestellt wurde, und verglichen seine Eigenschaften mit denen von herkömmlichem SiO2-Glas. Darüber hinaus wurde eine raumselektive mikroskopische Analyse verwendet, um die räumliche Heterogenität von SPS-SiO2-Glas zu bestimmen.

Die erhaltenen SPS-SiO2-Gläser waren für das bloße Auge transparent. Im vorherigen Bericht wurden SiO2-Gläser im Temperaturbereich von 727–1427 °C bei einem Druck von 100 MPa hergestellt, transparentes Schüttgut wurde jedoch bei einer Sintertemperatur über 1250 °C6 erhalten. Da transparentes SPS-SiO2-Glas das Ziel der Studie ist, wurden vier Vorbereitungsbedingungen verwendet: 6 MPa, 1300 °C; 6 MPa, 1400 °C; 70 MPa, 1300 °C; und 70 MPa, 1400 °C. Die physikalischen Eigenschaften der hergestellten Gläser sind in Tabelle 1 aufgeführt. Alle SPS-SiO2-Gläser weisen höhere Dichten auf als herkömmliches SiO2-Glas. Darüber hinaus besitzen die dichten SPS-SiO2-Gläser einen höheren G0-, E0- und K0-Wert als herkömmliches SiO2-Glas. Trotz gleicher Herstellungsbedingungen veränderten sich die Dichten der SPS-SiO2-Gläser in Abhängigkeit vom Gewicht der Ausgangschemikalien. Je leichter das Ausgangsmaterial, desto schwerer ist die Dichte. Insbesondere ist die Abhängigkeit der Herstellungsbedingungen (Temperatur und Druck) von den elastischen Eigenschaften unklar. Daher ist zu erwarten, dass nicht nur die Temperatur, der Druck und das Heizprogramm, sondern auch das Volumen des Ausgangsmaterials die Beschaffenheit der erhaltenen Proben beeinflussen. In Anbetracht des Mechanismus der SPS-Methode könnte der Abstand zwischen den Graphitstempeln die Sintereffizienz und die resultierenden Eigenschaften beeinflussen14,15,16.

Abbildung 1 zeigt die optischen Absorptionsspektren der Gläser zusammen mit denen von herkömmlichem SiO2-Glas. Unterhalb von 350 nm werden kleine Absorptionsbanden beobachtet, die auf die Entstehung von Defekten wie Sauerstoffmangelzentren und freien Sauerstoffbindungen zurückzuführen sind11,12,13. Es ist bemerkenswert, dass die Absorption der bei 6 MPa hergestellten Proben höher ist als die der Proben, die bei 70 MPa und derselben Vorbereitungstemperatur hergestellt wurden. Wir haben auch herausgefunden, dass die zunehmende Extinktion, also die Defektbildung, durch die Anwendung einer niedrigeren Temperatur bei gleichem Präparationsdruck unterdrückt wird.

Optische Absorptionsspektren von SPS-SiO2-Gläsern, die unter verschiedenen Bedingungen hergestellt wurden, zusammen mit denen von SiO2-Glas.

Zur Strukturanalyse der SPS-SiO2-Gläser führten wir eine PAS durch, die zur Quantifizierung der Hohlraumgröße in Materialien verwendet wird17,18,19,20. Abbildung 2 zeigt die Positronenzerfallskurven der SPS-SiO2- und herkömmlichen SiO2-Gläser; Es gibt keinen signifikanten Unterschied in den Kurven. Bei Isolatoren wird die Abklingkonstante von Orthopositronium (die dritte Komponente bei der Anpassung der Abklingkurve) zur Größenberechnung verwendet. Der Hohlraumradius des SPS-SiO2-Glases wurde mit 0,245 (± 0,002) nm berechnet, was nahezu identisch mit dem von Standard-SiO2-Glas (0,247 nm) ist (Ergänzungstabelle 1). Dieses Ergebnis steht im Einklang mit den in der Literatur veröffentlichten Werten für verdichtete Quarzgläser20. Wie bereits berichtet19, erkennt PAS tendenziell größere (und nicht kleinere) Hohlräume in SiO2-Glas. Daher können die beobachteten kleinen Dichteänderungen nicht mit den durch PAS ermittelten Hohlraumgrößen erklärt werden, da diese auf der bevorzugten Annihilation von Positronen in Hohlräumen basieren. Eine mikroskopische Analyse soll zusätzliche Informationen zur Erklärung der Verdichtung von SPS-SiO2-Gläsern liefern.

Positronenzerfallskurven von SPS-SiO2-Gläsern, die unter unterschiedlichen Bedingungen hergestellt wurden, zusammen mit denen von herkömmlichem SiO2-Glas.

Wir führten Rasterelektronenmikroskop- (SEM) und Transmissionselektronenmikroskop- (TEM) Aufnahmen der Oberfläche und des Inneren durch, um die Morphologien der SPS-SiO2-Gläser zu analysieren.

Abbildung 3 zeigt die REM-Bilder von SPS-SiO2-Gläsern, die unter verschiedenen Bedingungen hergestellt wurden. Der Einschub zeigt die Oberfläche der Proben durch mechanisches Polieren. Im Inneren der durch Ionenmahlen hergestellten Proben gibt es keine vom SiO2-Pulver herrührenden Korngrenzen, was zu einer einheitlichen Morphologie führt. Die vollständig gesinterten Bilder bei 1300 und 1400 °C sind denen im vorherigen Artikel6 sehr ähnlich. Es ist natürlich, dass die erhaltenen SPS-SiO2-Gläser ohne Korngrenzen Transparenz über einen weiten Wellenlängenbereich aufweisen.

REM-Beobachtung von SPS-SiO2-Gläsern. REM-Bilder des Inneren der SPS-SiO2-Gläser, die bei 6 MPa, 1300 °C (a) bzw. 70 MPa, 1400 °C (b) hergestellt wurden. Die Einschübe zeigen die Oberfläche der Proben. Die Oberfläche und das Innere der Proben wurden mechanisch bzw. durch Ionenfräsen poliert.

Abbildung 4 zeigt die TEM-Bilder von SPS-SiO2-Gläsern, die unter verschiedenen Bedingungen hergestellt wurden. Sowohl die Oberfläche als auch das Innere der Proben sind homogen und weisen keine Ausfällung von Kristalliten auf. Daher wird erwartet, dass alle SPS-SiO2-Gläser amorph sind, was durch konventionelle XRD bestätigt wurde (später besprochen). Da es in den TEM-Ergebnissen keine eindeutigen Hinweise auf eine Verdichtung gibt, sind andere analytische Ansätze erforderlich.

TEM-Beobachtung von SPS-SiO2-Gläsern. TEM-Bilder der (a, c) Oberflächen und (b, d) Innenseiten der SPS-SiO2-Gläser, hergestellt bei 6 MPa, 1300 °C bzw. 70 MPa, 1400 °C.

Basierend auf der Beziehung zwischen dem ersten scharfen Beugungspeak (FSDP) des Röntgen-Gesamtstrukturfaktors S(Q) und der Dichte von SiO2-Gläsern (wie in unserer aktuellen Studie berichtet)16 haben wir uns auf das FSDP-Profil des SPS konzentriert -SiO2-Gläser. Die FSDP-Höhe bei Q = 1,55 Å−1 korreliert stark mit der strukturellen Fehlordnung von Gläsern21,22,23,24,25. Abbildung 5a zeigt den S(Q) der SPS-SiO2-Gläser, die bei 70 MPa und 1400 °C hergestellt wurden, zusammen mit dem von SiO2-Glas. Die Röntgenstrahlen wurden in die Mitte der Proben eingestrahlt. Die Spektralformen beider Proben sind ähnlich und es wird kein scharfer Beugungspeak beobachtet, der auf kristallines SiO2 zurückzuführen ist. Ähnliche Formen in den Bereichen mit niedrigem bis hohem Q-Wert bestätigen, dass sich im SPS-SiO2-Glas keine Cluster-ähnliche Struktur bildet. Abbildung 5b zeigt die vergrößerten S(Q)-Werte dieser Gläser in den Bereichen mit niedrigem Q. Bemerkenswert ist, dass es einen leichten Unterschied in der Höhe des FSDP gibt. Allerdings sind die Zusammenhänge zwischen der FSDP-Höhe und den SPS-Bedingungen bzw. der Dichte von SPS-SiO2-Gläsern nicht vollständig geklärt. Obwohl wir schließen können, dass der kleine Unterschied in der FSDP-Höhe auf die dichtere Packung des SiO4-Netzwerks durch die SPS-Methode zurückzuführen ist, ist die detaillierte Struktur aus diesen Ergebnissen nicht klar.

Vergleich von S(Q) von SPS-SiO2-Glas und SiO2-Glas. (a) S(Q) von SPS-SiO2-Glas, hergestellt bei 70 MPa, 1400 °C, zusammen mit dem von SiO2-Glas. (b) Vergrößertes S(Q) von SPS-SiO2-Gläsern, die unter verschiedenen Bedingungen zusammen mit dem von SiO2-Glas hergestellt wurden.

Wir verwendeten IR- und Raman-Spektroskopietechniken, um die räumliche Heterogenität des SPS-SiO2-Glases zu untersuchen. Abbildung 6a zeigt die Mikro-IR-Spektren der SPS-SiO2-Gläser, die aus den Zentren der SPS-SiO2- und herkömmlichen SiO2-Gläser erhalten wurden. Obwohl die Spektralformen ähnlich sind, gibt es eine leichte Verschiebung im Band bei etwa 2260 cm−1. Dieser Schwingungsmodus ist ein Oberton des Si-O-Si-Schwingungsmodus, der gelegentlich unter dem Gesichtspunkt der fiktiven Temperatur (Tf) von SiO2-Gläsern diskutiert wird15,16,26,27,28,29,30,31,32,33 . Bemerkenswert ist, dass bei 6 MPa und 1400 °C hergestelltes SPS-SiO2-Glas, das von allen Proben die höchste Dichte aufweist, die größte Verschiebung im Si-O-Si-Peak aufweist. Abbildung 6b zeigt die vergrößerten mikroskopischen IR-Spektren, die an verschiedenen Positionen des bei 6 MPa und 1400 °C hergestellten SPS-SiO2-Glases erhalten wurden. Die von den Rändern des SPS-SiO2-Glases erhaltenen Spektren unterscheiden sich von denen, die von der Mitte der Probe erhalten werden; Der Si-O-Si-Peak verschiebt sich zu niedrigeren Wellenzahlen, wenn er sich vom linken Rand nach rechts bewegt. Eine Verschiebung zu einer niedrigeren Wellenzahl kann einem höheren Tf zugeordnet werden, also nicht ausgeheilt werden. Allerdings ist die Peakverschiebung in den vorliegenden Daten zu groß, um dieses Phänomen allein aus der Sicht der Tf von SiO2-Glas zu erklären16,29. Obwohl die SPS-SiO2-Gläser durch Abkühlen ohne Temperaturkontrolle erhalten wurden, war die Abschreckgeschwindigkeit außerdem langsamer als die Wasserabschreckgeschwindigkeit von SiO2-Glas mit einem hohen Tf. Daher wird erwartet, dass diese Verschiebung von der Reaktion an der Grenzfläche zwischen dem SiO2-Pulver und der umgebenden Graphitform herrührt.

Räumliche Heterogenität durch Mikro-IR-Spektroskopie. (a) Mikro-IR-Spektren von SPS-SiO2- und SiO2-Gläsern, aufgenommen aus dem Zentrum. (b) Vergrößerte Mikro-IR-Spektren, erhalten von verschiedenen Positionen des SPS-SiO2-Glases, hergestellt bei 6 MPa, 1400 °C. Der Einschub zeigt das Foto des SPS-SiO2-Glases; Die schwarzen Punkte an den Rändern zeigen die Messpunkte an.

Bei der Raman-Spektroskopie konzentrierten wir uns auf den Boson-Peak und die Schwingungsmoden bei 490 cm−1 (D1) und bei 600 cm−1 (D2)34,35,36,37,38,39. Daher diskutieren wir Raman-Spektren, die mit HH-Polarisation (paralleles Nicol) gemessen wurden (ergänzende Abbildung 1 (a)). Obwohl die Ursprünge dieser beiden Schwingungsmoden nicht vollständig geklärt sind, wurde der Boson-Peak mit dem freien Volumen von Gläsern korreliert40. Andererseits werden D1 und D2 der Schwingung von vier- bzw. dreigliedrigen Ringen aus SiO4-Tetraedereinheiten zugeordnet39. Im Gegensatz zu herkömmlichem SiO2-Glas zeigt SPS-SiO2-Glas bei Laserbestrahlung Fluoreszenz, was auf die Bildung von Defekten in der Matrix schließen lässt (ergänzende Abbildung 1 (b)). Die erwartete Defekterzeugung stimmt mit den in Abb. 1 gezeigten Ergebnissen der optischen Absorption überein. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Mikro-IR-Spektroskopie wurden die Raman-Spektren auch von drei verschiedenen Punkten (im Einschub des Fotos gezeigt) auf den Proben erhalten. Die breite Basislinie aufgrund der Fluoreszenz wurde durch die Anwendung eines erweiterten multiplikativen Signalkorrekturalgorithmus (EMSC) entfernt, wobei das Volumenspektrum von SiO2-Glas ohne Fluoreszenz als Referenz verwendet wurde. 41 Abbildung 7a zeigt die Mikro-Raman-Spektren von SPS-SiO2 (hergestellt bei 6 MPa, 1400 °C) und herkömmlichen SiO2-Gläsern; Diese Spektren wurden mit HH-Polarisation aufgenommen. Obwohl die Spektralformen im Großen und Ganzen ähnlich sind, gibt es einen leichten Unterschied zwischen den Spektren von SPS-SiO2- und SiO2-Gläsern. Die Abbildungen 7b–d zeigen die vergrößerten Raman-Spektren mit Hervorhebung der Boson-, D1- und D2-Peaks. Die Höhe des Boson-Peaks von SPS-SiO2-Glas ist vergleichbar mit der von SiO2-Glas und eine bemerkenswerte Peakverschiebung wird nicht beobachtet. Im Gegensatz dazu nehmen die Intensitäten des D1-Peaks bei 490 cm-1 (Abb. 7c) und des Dreiring-Peaks (D2) bei 600 cm-1 (Abb. 7d) von SPS-SiO2-Glas zu. Es wird vermutet, dass D2-Strukturen in der Nähe der SiO2-Oberfläche existieren39. In Anbetracht des PAS-Ergebnisses, bei dem ein großer Hohlraum durch SPS nicht verkleinert wird, wird vermutet, dass sich an den Rändern der Probe (nahe der Grenzfläche zur Form) kleine Siliciumdioxideinheiten bilden. Da die Abnahme der FSDP-Höhe in HEXRD (Abb. 5) auch auf ein weniger geordnetes Glasnetzwerk schließen lässt, kann gefolgert werden, dass im SPS-SiO2-Glas eine defektartige Struktur erzeugt wird. Bemerkenswert ist, dass die Höhe des Boson-Peaks vergleichbar ist, obwohl die Verschiebung des Si-O-Si-Schwingungspeaks am linken Rand der Probe (Grenzfläche zur Form) am größten ist. Die Korrelation zwischen dem Boson-Peak von Quarzglas und der durchschnittlichen Verteilung des Si-O-Si-Bindungswinkels ist gut belegt42,43. Da keine sichtbare Korrelation zwischen dem Boson-Peak im Raman-Spektrum und dem Si-O-Si-Schwingungspeak im IR-Spektrum besteht, wird erwartet, dass die Raman-Spektroskopie weniger empfindlich auf kleine Dichteänderungen reagiert als die IR-Spektroskopie.

Mikro-Raman-Spektren von SPS-SiO2-Glas, aufgenommen mit HH-Polarisation. (a) Mikro-Raman-Spektren von SPS-SiO2-Glas, hergestellt bei 6 MPa, 1400 °C, zusammen mit denen von SiO2-Glas. Der Einschub zeigt das Foto des SPS-SiO2-Glases, das mit den Messpositionen markiert ist. Vergrößerte Raman-Spektren, die den (b) Boson-Peak, (c) D1-Peak und (d) D2-Peak zeigen.

Die Ergebnisse der vorliegenden Studie legen nahe, dass die Grenzfläche zur Form die Eigenschaften von Keramiken beeinflusst, die durch druckunterstützte Herstellung unter reduzierter Atmosphäre erhalten werden. Wir gehen davon aus, dass die höchste Dichte von SPS-SiO2-Glas, das bei 6 MPa und 1400 °C hergestellt wurde, hauptsächlich auf Reduktionsreaktionen und nicht auf die herkömmliche Verdichtung durch Anwendung von Drücken über mehreren GPa zurückzuführen ist. Darüber hinaus wird erwartet, dass ein höherer Druck und eine niedrigere Temperatur wirksam sind, um eine Reduktionsreaktion zu verhindern. Selbst bei der aerodynamischen Levitationsmethode44, bei der Proben nicht mit Behältern in Kontakt kommen, wird die Grenzfläche zwischen den Materialien und der umgebenden Atmosphäre als wichtig erachtet. Wir glauben, dass der Einfluss der Schnittstelle auf die Struktur und die physikalischen Eigenschaften nicht nur bei SPS, sondern auch bei anderen Herstellungsverfahren berücksichtigt werden sollte. So können Keramiken mit Kern-Schale-ähnlichen Strukturen durch die Wahl der Herstellungsmethode spontan hergestellt werden. Darüber hinaus betonen wir, dass für unterschiedliche Größenordnungen von Bestandteilen in einer Festkörpermatrix unterschiedliche Sonden erforderlich sind. Da beispielsweise die Beziehung zwischen elastischen (makroskopischen) Eigenschaften und spektroskopischen (mikroskopischen) Ansätzen nicht eindeutig ist, ist für eine vollständige Charakterisierung eine Kombination analytischer Methoden erforderlich45,46,47. Für eine genauere Steuerung der Eigenschaften ist ein tieferes Verständnis der Struktur der Materialien erforderlich.

Transparente SPS-SiO2-Gläser ohne Korngrenzen oder Ausfällung von Kristalliten wurden erfolgreich hergestellt. Die Ergebnisse von HEXRD, Mikro-IR-Spektroskopie und Mikro-Raman-Spektroskopie deuten auf die Bildung unregelmäßiger Silikatspezies im SPS-SiO2-Glas nahe der Grenzfläche zur Form hin. Da die höchste Dichte von SPS-SiO2-Glas bei der Herstellung bei niedrigerem Druck und höherer Temperatur erreicht wurde, wird erwartet, dass die Verdichtung von SiO2-Glas hauptsächlich auf Reduktionsreaktionen und nicht auf die herkömmliche Verdichtung durch Anwendung von GPa-Druck zurückzuführen ist. Obwohl durch Sintern neuartige Festkörpermatrizen entstehen können, sind räumliche Analyse und makroskopische Eigenschaften wichtig für das Verständnis der Beschaffenheit der Probe.

SiO2-Gläser wurden durch SPS aus Siliciumdioxidpulver mit einem Durchmesser von etwa 25 μm (99,999 % Reinheit; High Purity Chemicals) hergestellt. Das SiO2-Pulver wurde in eine Graphitmatrize mit einem Innendurchmesser von 10 mm gefüllt und mit zwei Graphitstempeln verschlossen. Die Sintertemperatur wurde gemäß der folgenden Reihenfolge gesteuert: Die Temperatur wurde von etwa 25 °C in etwa 5 Minuten auf 600 °C erhöht, für etwa weitere 5 Minuten bei 600 °C gehalten und erneut auf 1300 oder 1400 °C erhöht konstante Rate von 10 °C/min und dann 15 min lang aufrechterhalten. Der gesamte Sinterprozess wurde im Vakuum durchgeführt, wobei zwischen beiden Enden des Graphitstempels ein Druck von 6 oder 70 MPa angelegt wurde. Nach dem Sintern wurde die Probe ohne Temperaturkontrolle abgekühlt. In dieser Studie wurden vier verschiedene Vorbereitungsbedingungen verwendet: 6 MPa, 1300 °C; 6 MPa, 1400 °C; 70 MPa, 1300 °C; und 70 MPa, 1400 °C. Das erhaltene SiO2-Glas wurde mit verschiedenen Methoden oberflächenpoliert und charakterisiert.

Ein Hochenergie-Röntgenbeugungsexperiment (XRD) wurde mit einem zweiachsigen Diffraktometer zur Untersuchung ungeordneter Materialien an der Strahllinie BL04B2 der Synchrotronstrahlungsanlage SPring-8 (Hyogo Japan)48 durchgeführt. Die Energie der einfallenden Röntgenstrahlung beträgt 61,43 keV. Die Rohdaten wurden hinsichtlich Polarisation, Absorption und Hintergrund korrigiert und der Beitrag der Compton-Streuung wurde mithilfe einer Standard-Datenanalysesoftware subtrahiert.

Die Morphologie der Proben wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) gemessen, wobei REM-Bilder mit einem JSM-6510 (JEOL) aufgenommen wurden. Zur Aufnahme von Transmissionselektronenmikroskopiebildern (TEM) wurde ein HF-2000-Mikroskop (Hitachi) verwendet. Transmissionsmessungen wurden bei 25 °C mit einem Spektrophotometer (UH-4150; Hitachi, Ltd.) durchgeführt. Die Ultraschallgeschwindigkeiten der Longitudinal- (VL) und Transversalwellen (VT) wurden bei Raumtemperatur mit der Ultraschall-Puls-Echo-Methode (DPR300, JSR Ultraschall) gemessen. Die Frequenzen der Längs- und Querwandler betragen 10 bzw. 5 MHz. Der Elastizitätsmodul (E0), der Momentanschermodul (G0), der Volumenmodul (K0) und die Poissonzahl (ν) wurden nach zuvor veröffentlichten Methoden berechnet47. Die Fehler in E0, G0 und K0 betrugen weniger als ± 0,1 GPa.

Die Mikro-Raman-Spektroskopie wurde in Rückstreugeometrie unter Verwendung eines diodengepumpten Einzelfrequenz-Festkörperlasers mit 532 nm (Oxxius LCX-532S-300) und eines speziell angefertigten Mikroskops mit ultraschmalbandigen Kerbfiltern (OptiGrate) durchgeführt. Der einfallende Laser wurde auf 7 mW abgeschwächt und mit einer 50-fachen Objektivlinse fokussiert. Das von derselben Linse gesammelte Streulicht wurde mit einem einzelnen Monochromator (Jovin-Yvon, HR320, 1200 Rillen/mm) analysiert, der mit einer ladungsgekoppelten Kamera (Andor, DU420) ausgestattet war. Das Messsystem für Raman-Spektren wird in einer früheren Studie gezeigt49. Wir verwendeten die multivariate Analysesoftware Unscrambler 11 (Camo Analytics), die EMSC bereitstellt, um fluoreszenzähnliche breite Basislinien für die SPS-Proben zu entfernen.

Die Lebensdauer der Positronenvernichtung wurde mit einem PSA-Typ-L-II-System (Toyo Seiko Co., Ltd.) mit einem Antikoinzidenzsystem50 gemessen. Die 22Na-Quelle mit einem Durchmesser von 15 mm war in einer Kaptonfolie eingekapselt. Die Gesamtzahl für jede Probe betrug 107.

Infrarotspektren (im mittleren Infrarotbereich (IR) von 600 bis 8000 cm−1) wurden mit der IR-Beamline BL43IR an der Synchrotronanlage SPring-8 (Hyogo, Japan) gemessen. Ein Fourier-Transfer-Infrarot (FTIR)-Mikrospektrophotometer (BRUKER Modell HYPERION IR-Mikroskop mit einem VERTEX70 FTIR-Spektrometer) wurde mit IR-Synchrotronstrahlung verwendet. Das Mikroskop verfügt über einen motorisierten xy-Tisch, der zur Vorgabe der Messposition dient. Die Vergrößerung der Objektivspiegel beträgt 36 ×. Die räumliche Auflösung beträgt etwa 20 µm bei 2000–3000 cm−1. Die Wellenzahlauflösung beträgt 1 cm−1 und die Anzahl der Akkumulationen beträgt das 4000-fache. Die Probe wurde auf ein Edelstahlnetz mit einer Wabenanordnung mit einem Lochdurchmesser von 2 mm gelegt. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Der optische Infrarotpfad wurde mit trockener Luft gespült, um Wasser- und CO2-Moleküle zu entfernen (FT-IR-Spülgasgenerator; Parker Co., Ltd.).

Die Autoren erklären, dass alle relevanten Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, auf Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich sind.

Tokita, M. Trends bei fortschrittlichen SPS-Spark-Plasma-Sintersystemen und -Technologie – Materialien mit Funktionsgradienten und einzigartige synthetische Verarbeitungsmethoden aus der nächsten Generation der Pulvertechnologie. J. Soc. Pulver. Technik. Jpn. 30, 790–804 (1993) (auf Japanisch).

Artikel CAS Google Scholar

Munir, ZA, Anselmi-Tamburini und Ohyanagi, UM Die Wirkung von elektrischem Feld und Druck auf die Synthese und Konsolidierung von Materialien: Ein Überblick über die Spark-Plasma-Sintermethode. J. Mater. Wissenschaft. 41, 763–777 (2006).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kondoh, I., Tanaka, T. & Tamari, N. Nutzen des Funkenplasmasinterns für die Verdichtung und die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumoxid-Whisker/Zirkonoxid-Verbundwerkstoffen. J. Ceram. Soc. Jpn. 102, 505–507 (1994) (auf Japanisch).

Artikel CAS Google Scholar

Omori, M. Sintern, Konsolidierung, Reaktion und Kristallwachstum durch das Spark-Plasma-System (SPS). Mater. Wissenschaft. Ing. A. 287, 183–188 (2000).

Artikel Google Scholar

Andrade, MJ et al. Elektrisch leitfähige doppelwandige Kohlenstoff-Nanoröhren – Silica-Glas-Nanokomposite, hergestellt durch das Sol-Gel-Verfahren und Funkenplasmasintern. Scr. Mater. 61, 988–991 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, J., Tu, R. & Goto, T. Herstellung von transparentem SiO2-Glas durch druckloses Sintern und Funkenplasmasintern. Ceram. Int. 38, 2673–2678 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

He, Z., Katsui, H. & Goto, T. Mechanische Eigenschaften von Nanokorn-SiO2-Glas, hergestellt durch Funkenplasmasintern. J. Euro. Ceram. Soc. 37, 721–725 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Okada, G., Kasap, S. & Yanagida, T. Radiolumineszenz und thermisch stimulierte Lumineszenz von SiO2-Gläsern, hergestellt durch Funkenplasmasintern. J. Ceram. Soc. Jpn. 124, 541–545 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Okada, G., Kasap, S. & Yanagida, T. Optisch und thermisch stimulierte Lumineszenzen von Ce-dotierten SiO2-Gläsern, hergestellt durch Funkenplasmasintern. Opt. Mater. 61, 15–20 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Shiratori, D. et al. Dosimetrische Eigenschaften von Sn-dotierten SiO2-Gläsern, die durch das Spark-Plasma-Sinterverfahren synthetisiert wurden. Rad. Mess. 134, 106297 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Pacchioni, G., Skuja, L. & Griscom, DL Defekte in SiO2 und verwandten Dielektrika: Wissenschaft und Technologie (Kluwer Academic Publishers, 2000).

Buchen Sie Google Scholar

Skuja, L., Hirano, M., Hosono, H. & Kajihara, K. Defekte in Oxidgläsern. Physik. Stat. Sol. C. 2, 15–24 (2005).

CAS Google Scholar

Griscom, DL Zentren für eingefangene Elektronen in reinem und dotiertem glasartigem Siliciumdioxid: eine Übersicht und Synthese. J. Nicht-Kristall. Feststoffe. 357, 1945–1962 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Parc, RL, Levelut, C., Pelous, J., Martinez, V. & Champagnon, B. Einfluss der fiktiven Temperatur und Zusammensetzung von Quarzglas auf anomales elastisches Verhalten. J. Phys. Kondensiert. Materie 21, 079802 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Kakiuchida, H., Sekiya, EH, Shimodaira, N., Saito, K. & Ikushima, AJ Änderungen des Brechungsindex und der Dichte in Quarzglas durch Halogendotierung. J. Nicht-Kristall. Solids 353, 568–572 (2007).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Masai, H. et al. Zusammenhang zwischen dem ersten scharfen Beugungspeak und den physikalischen Eigenschaften von Siliziumdioxid (SiO2)-Gläsern mit unterschiedlichen fiktiven Temperaturen. J. Ceram. Soc. Jpn. 128, 1038–1044 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

West, RN Positronenstudien kondensierter Materie. Adv. Physik. 22, 263–383 (1973).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Brückner, R. Eigenschaften und Struktur von Quarzglas. J. Nicht-Kristall. Solids 5, 123–175 (1970).

Artikel ADS Google Scholar

Ono, M., Hara, K., Fujinami, M. & Ito, S. Hohlraumstruktur in Quarzglas mit unterschiedlichen fiktiven Temperaturen, beobachtet mit Positronenvernichtungslebensdauerspektroskopie. Appl. Physik. Lette. 101, 164103 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zanatta, M. et al. Strukturelle Entwicklung und mittlere Ordnung in dauerhaft verdichtetem glasartigem SiO2. Physik. Rev. Lett. 112, 045501 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Onodera, Y. et al. Struktur und Eigenschaften von verdichtetem Quarzglas: Charakterisierung der Ordnung innerhalb der Unordnung. NPG Asia Mater 12, 85 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Salmon, PS, Martin, RA, Mason, PE & Cuello, GJ Topologische versus chemische Ordnung in Netzwerkgläsern auf mittleren und erweiterten Längenskalen. Natur 435, 75–78 (2005).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Price, DL, Moss, SC, Reijers, R., Saboungi, ML & Susman, S. Mittelklasse-Ordnung in Gläsern und Flüssigkeiten. J. Phys. C: Festkörperphysik. 21, L1069–L1072 (1988).

Artikel ADS Google Scholar

Price, DL et al. Die Struktur von Phosphor-Selen-Gläsern I. Konzentrationsabhängigkeit der Nah- und Mittelordnung. J. Nicht-Kristall. Solids 66, 443–465 (1984).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Murakami, M. et al. Ultrahochdruckform von SiO2-Glas mit dichter kristalliner Homologie vom Pyrit-Typ. Physik. Rev. B 99(045153), 1–12 (2019).

Google Scholar

Mauro, JC, Gupta, PK & Loucks, RJ Zusammensetzungsabhängigkeit der Glasübergangstemperatur und der Zerbrechlichkeit. II. Ein topologisches Modell von Alkaliboratflüssigkeiten. J. Chem. Physik. 130, 234503 (2009).

Artikel ADS PubMed CAS Google Scholar

Agarwal, A. & Tomozawa, M. Korrelation der Quarzglaseigenschaften mit den Infrarotspektren. J. Nicht-Kristall. Solids 209, 166–174 (1997).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Fraser, DB Faktoren, die die akustischen Eigenschaften von Quarzglas beeinflussen. J. Appl. Physik. 39, 5868 (1968).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kakiuchida, H., Saito, K. & Ikushima, AJ Präzise Bestimmung der fiktiven Temperatur von Quarzglas durch Infrarot-Absorptionsspektrum. J. Appl. Physik. 93, 777–779 (2003).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Watanabe, T., Saito, K. & Ikushima, AJ Fiktive Temperaturabhängigkeit der Dichteschwankung in SiO2-Glas. J. Appl. Physik. 94, 4824 (2003).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Xu, JL & Khor, KA Chemische Analyse von mit Siliziumdioxid dotierten Hydroxylapatit-Biomaterialien, die durch ein Funkenplasmasinterverfahren verfestigt wurden. J. Inorg. Biochem. 101, 187–195 (2007).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Gerber, T. & Himmel, B. Die Struktur von Quarzglas in Abhängigkeit von der fiktiven Temperatur. J. Nicht-Kristall. Solids 92, 407–417 (1987).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Mantisi, B. et al. Nicht-Debye-Normalisierung der Glasschwingungszustandsdichte in leicht verdichteten Silikatgläsern. J. Phys. Kondensiert. Gegenstand. 22, 025402 (2010).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Malinovsky, VK, Novikov, VN & Sokolov, AP Log-Normalspektrum niederenergetischer Schwingungsanregungen in Gläsern. Physik. Lette. A 153, 63–66 (1991).

Artikel ADS Google Scholar

Hubbard, BE, Tu, JJ, Agladze, NI & Sievers, AJ Optische Aktivität des Boson-Peaks und Zwei-Niveau-Systeme in Silica-Germania-Gläsern. Physik. Rev. B 67, 144201 (2003).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Inamura, Y. et al. Mittelbereichsstruktur und Niedrigenergiedynamik von verdichtetem Quarzglas. J. Nicht-Kristall. Feststoffe 293–295, 389–393 (2001).

Artikel ADS Google Scholar

Pasquarello, A. & Car, R. Identifizierung von Raman-Defektlinien als Signaturen von Ringstrukturen in Quarzglas. Physik. Rev. Lett. 80, 5145–5147 (1998).

Artikel ADS CAS Google Scholar

McMillan, PF, Wolf, GH & Poe, BT Schwingungsspektroskopie von Silikatflüssigkeiten und Gläsern. Chem. Geol. 96, 351–366 (1992).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Barrio, RA, Galeener, FL, Martinez, E. & Elliott, RJ Regelmäßige Ringdynamik in AX2-Tetraedergläsern. Physik. Pfr. Fr. B 48, 15672 (1993).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kantelhardt, JW, Russ, S. & Bunde, A. Überschüssige Moden im Schwingungsspektrum ungeordneter Systeme und der Bosonenpeak. Physik. Rev. B 63, 064302 (2001).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Skogholt, J., Liland, KH & Indahl, UG Vorverarbeitung von Spektraldaten im erweiterten multiplikativen Signalkorrekturrahmen unter Verwendung mehrerer Referenzspektren. J. Raman Spectrosc. 50, 407–417 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Skinner, LB et al. Eine zeitaufgelöste Hochenergie-Röntgenbeugungsstudie der Kühlflüssigkeit SiO2. Physik. Chem. Chem. Physik. 15, 8566–8572 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Champagnon, B., Wondraczek, L. & Deschamps, T. Boson-Peak, strukturelle Inhomogenität, Lichtstreuung und Transparenz von Silikatgläsern. J. Nicht-Kristall. Solids 355, 712–714 (2009).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Deschamps, T. et al. Kieselsäure unter hydrostatischem Druck: Ein inkontinuierliches Mediumverhalten. J. Nicht-Kristall. Solids 355, 2422–2424 (2009).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Masai, H. et al. Korrelation zwischen Strukturen und physikalischen Eigenschaften binärer ZnO-P2O5-Gläser. Physik. Status Solidi B 257, 2000186 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Masai, H. et al. Untersuchung der Struktur und optischen Eigenschaften von Ce3+-dotiertem Strontiumboratglas mittels Regressionsanalyse. Wissenschaft. Rep. 11, 3811 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Masai, H., Fujii, Y., Kitamura, N. & Yamawaki, M. Beziehung zwischen den elastischen Eigenschaften und der Struktur von BaO-TiO2-GeO2-SiO2-Gläsern. J. Nicht-Kristall. Feststoffe 576, 121248 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Kohara, S. et al. Strukturuntersuchungen ungeordneter Materialien mithilfe hochenergetischer Röntgenbeugung unter Umgebungs- und Extrembedingungen. J. Phys. Kondensiert. Matter 19, 506101 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Fujii, Y., Katayama, D. & Koreeda, A. Breitbandige Lichtstreuspektroskopie unter Verwendung eines ultraschmalbandigen holographischen Kerbfilters. Jpn. J. Appl. Physik. 55, 10TC03 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Yamawaki, M., Kobayashi, Y., Hattori, K. & Watanabe, Y. Neuartiges System für die mögliche zerstörungsfreie Materialprüfung mittels Positronenvernichtungs-Lebensdauerspektroskopie. Jpn. J. Appl. Physik. 50, 086301 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde teilweise von der Japan Society for the Promotion of Science Grant-in-Aid for Scientific Research (B) Nummern JP18H01714, JP22H01785 (HM), (C) JP19K05252 (YF), für anspruchsvolle Forschung (Exploratory) Nummer 19K22072 ( HM und SK) und für transformative Forschungsbereiche (A) „Hyper-Ordered Structures Science“ Fördernummern 20H05878 und 20H05881 (SK), 20H05880 (AM) und 20H05882 (HM). Mit der Genehmigung des Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) (Vorschlagsnr. 2020A1494 und 2021A1166) wurde hochenergetische XRD mit der Strahllinie BL04B2 am SPring-8 durchgeführt. Mikro-IR-Messungen wurden mit der Genehmigung des JASRI (Vorschlagsnummern 2021A1144 und 2021B1149) mit der BL43IR-Beamline bei SPring-8 durchgeführt. Der Autor (HM) ist dankbar für Gespräche mit Dr. M. Yamawaki.

Abteilung für Materialien und Chemie, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, 1-8-31 Midorigaoka, Ikeda, Osaka, 563-8577, Japan

Hirokazu Masai und Naoyuki Kitamura

Graduate School of Materials Science, Nara Institute of Science and Technology, 8916-5, Takayama-cho, Ikoma, Nara, 630-0192, Japan

Hiromi Kimura und Takayuki Yanagida

Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/SPring-8), 1-1-1, Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5198, Japan

Yuka Ikemoto

Forschungszentrum für fortgeschrittene Messung und Charakterisierung, National Institute for Materials Science, 1-2-1, Sengen, Tsukuba, Ibaraki, 305-0047, Japan

Shinji Kohara

Graduate School of Science and Technology, Hirosaki University, 3 Bunkyo-cho, Hirosaki, Aomori, 036–8561, Japan

Atsunobu Masuno

Fachbereich Physikalische Wissenschaften, Ritsumeikan-Universität, 1-1-1 Noji-higashi, Kusatsu, Shiga, 525-8577, Japan

Yasuhiro Fujii

Technische Abteilung, Graduate School of Engineering, Tohoku University, 6-6-11, Aoba, Sendai, 980-8579, Japan

Takamichi Miyazaki

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, 1-1-1 Umezono, Tsukuba, Ibaraki, 305-8568, Japan

Hiromi Kimura

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

HM formulierte das Forschungsprojekt. HK und TY führten die Materialvorbereitung durch. NK hat den Elastizitätsmodul gemessen. HM führte optische Absorptions- und Positronenzerfallsmessungen durch. AM gemessene Dichte der Proben. TM führte SEM- und TEM-Beobachtungen durch. SK und HM führten XRD-Messungen durch und analysierten die resultierenden Daten. HM und YI führten eine Mikro-IR-Messung durch. YF führte eine Mikro-Raman-Messung durch. HM hat den Aufsatz geschrieben. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und kommentierten das Manuskript.

Korrespondenz mit Hirokazu Masai.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Masai, H., Kimura, H., Kitamura, N. et al. Verdichtung in transparenten SiO2-Gläsern, hergestellt durch Funkenplasmasintern. Sci Rep 12, 14761 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18892-4

Zitat herunterladen

Eingegangen: 26. Mai 2022

Angenommen: 22. August 2022

Veröffentlicht: 30. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18892-4

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.

Nachricht

Verdichtung in transparenten SiO2-Gläsern, hergestellt durch Funkenplasmasintern