Ученые ННГУ им. Н.И. Лобачевского совместно с Институтом химии высокочистых веществ РАН определили взаимосвязь состава, строения и свойств двухфазных керамических композитов на основе оксида иттрия (Y2O3) и оксида магния (MgO) и разработали методику, позволяющую прогнозировать прозрачность композитов в ИК-диапазоне. В перспективе работа позволит создавать более качественные материалы для инфракрасной оптики, применяемой в авиации и космонавтике. Исследование поддержано грантом РНФ, а результаты опубликованы в журнале Journal of the European Ceramic Society.
Однокомпонентные керамики для производства износостойкой оптики, выдерживающей экстремальные условия, разрабатывают более 50 лет. Это материалы на основе оксида иттрия, оксида магния, алюмомагниевой шпинели (MgAl2O4) — они выдерживают достаточно высокие температурные и механические нагрузки, но для нынешней техники их характеристик недостаточно. При нагреве до 400–500 oС оптические элементы, изготовленные из этих материалов, теряют свойства и мутнеют: навигационная система в такой ситуации просто «ослепнет». Актуальное направление, зародившееся около 7 лет назад, — создание двухфазных керамических композитов.
«Композиты — это материалы, состоящие как минимум из двух фаз: при объединении компонентов материал приобретает новые свойства, которых не было у компонентов по отдельности. В видимом диапазоне они непрозрачны, как обычная керамическая кружка. При этом двухфазные керамические композиты прозрачны в ИК-диапазоне. Для этого они должны обладать очень низкой пористостью, а размер зерен в первом приближении в этих керамиках должен быть не более чем 1/10 от длины волны проходящего излучения. Соответственно, чтобы такая керамика была прозрачной в ближнем ИК-диапазоне с длиной волны около 2 мкм, размер зерна должен быть в 10 раз меньше — порядка 200 нм. Ключевое преимущество таких двухфазных керамических композитов в том, что они остаются прозрачными в ИК-диапазоне даже при нагреве выше 500 oС», — рассказал корреспонденту «Научной России» заведующий научно-исследовательской лабораторией оптических керамических материалов кафедры неорганической химии химического факультета Университета Лобачевского Дмитрий Пермин.
Специалисты ННГУ им. Н.И. Лобачевского разработали метод изготовления перспективного композита, по качеству не уступающий иностранным аналогам, а также, благодаря кооперации с ИХВВ РАН, на новом уровне исследовали связь между прозрачностью и характеристиками их микроструктуры.
Ученые изучили композиты с помощью инфракрасной микроскопии, чтобы обнаружить возможные дефекты, наличие которых ранее не учитывалось, а также тщательно провели исследование зёренной структуры материала — все эти факторы влияют на светопотери.
«Мы в экспериментах оценили качество полученного нами материала на различных уровнях и разработали математический аппарат, с помощью которого можно гораздо точнее описывать и учитывать светорассеяние. Особенности строения не позволили использовать известные для таких задач подходы, например, теорию Ми: она неприменима в этой ситуации, так как рассматривает рассеивающие центры как независимые — это подходит только для материалов, в которых мало рассеивающих центров. Однако в композитных керамиках эти центры занимают половину объема: каждое новое зерно на пути излучения —это центр рассеяния. Мы разработали математический подход, который на достаточно высоком уровне описывает спектр пропускания или спектр оптических потерь наших композитов», — отметил Дмитрий Пермин.
Кроме того, методика позволяет решать и обратную задачу: по измеренному ИК-спектру определять, что именно снижает прозрачность — излишняя пористость, слишком крупные зёрна или посторонние включения.
Исследование позволит ускорить подбор оптимальных режимов спекания и составов, прогнозируя возможный результат при создании двухфазных керамических композитов. Сегодня оптические элементы из подобных материалов появляются только в виде прототипов на крупных международных выставках.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото: Андрей Скворцов / пресс-служба ННГУ им. Н.И. Лобачевского
