Studium fosfátových a borofosfátových skel s obsahem In2O3

Abstract

Diplomová práce se zabývá přípravou fosfátových a borofosfátových skel s obsahem In2O3, studiem jejich struktury pomocí Ramanovy spektroskopie a MAS NMR spektroskopie, zjišťováním jejich základních fyzikálně-chemických vlastností a studiem jejich termického chování pomocí tepelně-vodivostní DSC, termodilatometrie a vysokoteplotní mikroskopie. Celkem bylo připraveno 16 vzorků homogenních skel ve čtyřech kompozičních řadách: A: (50-x)ZnO-xIn2O3-50P2O5 (x = 0; 5; 10; 15; 20; 30); B: 30ZnO-(20-x)B2O3-xIn2O3-50P2O5 (x = 0; 5; 10; 15; 20); C: 30PbO-(20-x)B2O3-xIn2O3-50P2O5 (x = 0; 5; 10; 15; 20) a D: (50- x)ZnO-xY2O3-50P2O5,(x = 0; 5). Z MAS NMR spekter jader 31P vyplynulo, že v kompoziční řadě 30ZnO-(20-x)B2O3- xIn2O3-50P2O5 (řada B) dochází k postupné transformaci fosfátových celků v pořadí (Q3 ?) Q2 ? Q1 ? Q0 s rostoucím obsahem In2O3. S přídavky inditého dochází k postupné depolymerizaci fosfátové strukturní sítě, spojené s transformaci celků typu Q2 na celky Q1, také v ostatních kompozičních řadách, jak ukázala Ramanova spektra. Rozdíl ve struktuře skel obsahujících 5 mol% In2O3 nebo 5 mol% Y2O3 je minimální. NMR spektra jader 11B skel kompoziční řady B ukázala, že se indium do skelné strukturní sítě zabudovává, zejména prostřednictvím vazeb P-O-In. Studium fyzikálně-chemických vlastností ukázalo, že při zvyšování obsahu In2O3 (Y2O3) roste měrná hmotnost skel a jejich molární objem skel v kompozičních řadách A, C a D, u skel řady B byly změny molárního objemu s rostoucím obsahem oxidu inditého malé. Nejnižší chemická odolnost vůči vodě byla zjištěna u zinečnatéto metafosfátového skla. Při záměně ZnO za In2O3 v kompoziční řadě A se chemická odolnost skel zvyšovala, stejně tak jako při záměně ZnO za Y2O3 v řadě D. Chemická odolnost skel připravených v borofosfátových kompozičních řadách 30ZnO-(20-x)B2O3-xIn2O3-50P2O5 (B) a 30PbO- (20-x)B2O3-xIn2O3-50P2O5 (C) byla vysoká a v rámci vzájemné záměny obou trojmocných oxidů (B2O3 a In2O3) skel se příliš neměnila. Z výsledků tepelně-vodivostní DSC vyplynulo, že některá skla resp. jejich podchlazené taveniny krystalizují. V kompoziční řadě A: (50-x)ZnO-xIn2O3-50P2O5, byla nejvyšší termická stabilita zjištěna u vzorku s obsahem 5 mol% In2O3. Vysokou termickou stabilitu vykazuje také většina skel připravených ve zbývajících kompozičních řadách. Obdobné rozdíly v termické stabilitě byly zjištěny také pomocí vysokoteplotní mikroskopie. Z rentgenové difrakční analýzy vyplynulo, že produktem krystalizace jsou fáze Zn(PO3)2, Zn2(P2O7)2, InP3O9, Pb2InP3O11, Y(PO3)3 a v případě borofosfátových kompoziční řad také BPO4. Z DSC a TD křivek dále vyplynulo, že teplotní roztažnost skel klesá se zvyšujícím se obsahem In2O3 (Y2O3). Teplota skelné transformace s rostoucím obsahem In2O3 (Y2O3) v řadách A, C a D naopak stoupá, v řadě 30ZnO-(20-x)B2O3-xIn2O3-50P2O5 (B) se téměř nemění. Obdobné závislosti byly zjištěny také u dilatometrické teploty měknutí. Ze studia termického chování skel 50ZnO-50P2O5 (A) a 30ZnO-20In2O3-50P2O5 (A) dále vyplynulo, že u obou vzorků převládá povrchový mechanismus nukleace (krystalizace) nad mechanismem objemovým. Vyšší podíl objemové nukleace byl zjištěn u skla 50ZnO-50P2O5. Studium nukleační rychlosti ukázalo, že u vzorku 50ZnO-50P2O5 vznikají stabilní nukleační zárodky při vyšších nukleačních teplotách a po delších nukleacích časech než u vzorku 30ZnO-20In2O3-50P2O5.