بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر، نمونههای تودهای آمورف 40TeO2- - 60-x - V2O5-xSb2O3 با درصدهای مولی مختلف 0≤x≤10 با روش سرمایش سریع مذاب ساخته شدند. نمودارهای گرماسنجی روبشی تفاضلی - DSC - برای این نمونه ها در نرخهای گرمایش مختلف مورد استفاده قرار گرفت تا پایداری گرمایی، تمایل به شیشه ای شدن و سایر ویژگی های کالریمتری آنها مشخص گردد. دمای گذار شیشه ای - - Tg، دمای شروع بلورینگی - - Tx و دمای بلورینگی - - Tcr در نرخ های گرمایش مختلف تعیین شده است، تا با استفاده از آنها انرژی فعالسازی بلورینگی نمونه ها با استفاده از مدلهای اوزاوا و کیسینجر محاسبه شود. بهطورکلی، نتایج این پژوهش نشان میدهد که شیشه ی با x=10 دارای بالاترین پایداری گرمایی و تمایل به شیشهای شدن و درنتیجه دارای مقاومت بسیار خوب در مقابل تنشهای گرمایی است؛ در نمونه ی با x=5 کاهش شدیدی در انرژی فعالسازی بلورینگی مشاهده می شود، که می توان آنرا ناشی از افزایش تراکم اکسیژن های غیر پیوندی دانست.
مقدمه
بر اساس پژوهشهای انجام گرفته، شیشه های تلوریمی به دلیل دارا بودن دمای ذوب پایین، ویژگی غیر نمگیری، گذار فروسرخ خوب، ویژگیهای الکتریکی و اپتیکی و ساختار مقاوم در برابر شوک های گرمایی دارای اهمیت خاصی هستند. تغییر در ترکیب این شیشه ها می تواند در بدست آوردن یک ترکیب مناسب با خواص مطلوب و توانایی تحمل بالا در مقابل شوک های گرمایی برای کاربردهای فناوری مورد استفاده قرار گیرد2]،.[1 گرماسنجی روبشی تفاضلی - DSC - روش مناسبی برای بررسی رفتار شیشه ها در دماهای مختلف و نرخ های گرمایی متفاوت می باشد.
می توان گفت دمای گذار شیشهای - Tg - ، دمای شروع بلورینگی - Tx - و دمای تبلور - - Tcr با اندازه گیری های DSC - معیّن - میشوند4]،[3، که از این اندازه گیریها برای محاسبه انرژی فعاسازی بلورینگی در روش های اوزاوا و کسینجر استفاده شده است.[4] دراین پژوهش، شیشههای TeO2-V2O5-Sb2O3 برای یافتن انرژی فعالسازی بلورینگی و یافتن شیشه ای با پایداری گرمایی بالا و مناسب برای کاربردهای عملی، نظیر استفاده در فیبرهای نوری مطالعه شده است.
فرآیند آزمایشگاهی
به منظور تهیه شیشههای سه مؤلفهای-40TeO2- - 60 - x - V2O5-xSb2O3که از این به بعد بهطور اختصار Sx نامیده میشوند و x بعنوان درصد مولی مولفه Sb2O3 دارای مقادیر%x=0,5,8,10mol میباشد - ،20گرم از پودر مخلوط را برداشته و در یک هاون جهت بدست آوردن پودری یکنواخت، ریخته و به مدت 10دقیقه مخلوط میکنیم. لازم به ذکر است که وزن هر کدام از پودرها و همچنین پودر مخلوط، توسط ترازوی با حساسیت 0/1میلی گرم - KERN ALJ 220-4NM-Germany - اندازهگیری میشود. سپس مخلوط پودرهای اولیه را در یک بوته چینی ریخته و در کوره الکتریکی - AZAR - Furnaces F11L 1250- Iran در شرایط محیطی عادی ذوب میکنیم. پودر مخلوط به مدت یک ساعت در دمای 250 درجه سلسیوس به منظور حذف رطوبت و گاز زدایی حرارت داده میشود. دمای ذوب نمونهها در گستره ی 680 تا 750 درجه سلسیوس بوده و با افزایش تراکم Sb2O3 افزایش مییابد.
در طی این مدت، مادهی مذاب چندین بار بوسیله لوله بور- سیلیکا، به آرامی هم زده میشود تا از جدایی مولفههای تشکیل دهنده جلوگیری و نمونهای کاملاً همگن بدست آید. تودهی آمورف مورد نظر، با ریختن مذاب حاصل در قالبهای استیل صیقلی در دمای اتاق به روش سرمایش سریع فشاری حاصل شدند. در این روش نمونه فوراً از دمای ذوب به دمای اتاق میرسد عمل بازپخت جهت یکنواخت شدن نمونهها - که بصورت قرصهایی با ضخامت تقریبی یک میلیمتر میباشند- و حذف تنشهای گرمایی ناشی از سرمایش سریع، به مدت دو ساعت در دمای 200 درجه سلسیوس صورت میگیرد.[6,5,2] تحلیل ساختاری و گرمایی این نمونه ها بترتیب بهوسیلهی پراش پرتو X توسط دستگاه - - diffractometer: Unisantis-XMD-300 CuK و دستگاه گرماسنجی روبشی تفاضلی - NETZSCH DSC 200 - F3, GERMANY انجام شده است.
نتایج و بحث
الف: الگوهای پراش پرتو X
الگوهای XRD نمونههای تودهای Sx در شکل1 نشان داده شدهاند که مؤید طبیعت آمورف آنهاست. قلههای موجود در نمونههای S8 و S10 را احتمالا میتوان به تغییر در چگالی اکسیژنهای غیر پیوندی نمونه و در نتیجه تغییر ساختار آن نسبت به نمونههای دیگر ارتباط داد.[7]
ب: تحلیل گرمایی
شکل2 نمودار DSC را برای نمونه S0 در نرخ های گرمایش متفاوت نشان میدهد. این منحنی DSC، یک ناحیه گذار شیشهای را نشان میدهند که ما معمولاً میانهی ناحیهی گرماگیر را بهعنوان دمای گذار شیشهای - Tg - در نظر میگیریم. همچنین نقطه شروع بلندترین قله گرمازا در منحنی های DSC را دمای شروع بلورینگی - - Tx قلمداد می کنیم. این منحنی ها با یک پیک گرمازای مربوط به دمای بلورینگی Tcr بعد از Tx دنبال میشوند. به بیان دیگر ظهور پیک گرمازایی مربوط به بلورینگی پس از دمای گذار شیشهای، نشان دهندهی طبیعت شیشهای این نمونهها در دماهای زیر دمای گذار شیشهای است.[5]
مدل های گرماسنجی اوزاوا [4] و کیسینجر [4] رابطه هایی برای محاسبه انرژی فعالسازی بلورینگی می دهند. در مدل اوزاوا [4] بر اساس معادله - 1 - از رسم نمودار - OQ - برحسب 1/Tx، ومحاسبه شیب آن میتوان انرژی فعالسازی بلورینگی را برای نمونه های مختلف محاسبه کرد. برای راحت بودن محاسبات می توان از 1000/Tx به جای 1/Tx استفاده کرد. نمودارهای مذکور برای شیشه های مورد مطالعه در شکل - 3 - رسم شده اند که پس از محاسبه شیب نمودارهای خطی و ضرب آنها در ثابت جهانی گازها - Rg - ، انرژی فعالسازی بلورینگی نمونه ها محاسبه می گردد.
همچنین شکل - 4 - نمودارهای - ln - T2cr/ بر حسب 1000/Tcrرا در هر دو مدل تقریبا مشابه است - شکل 5را ببینید - . اختلاف در مقدار E ممکن است ناشی از اختلاف در تعیین مقدار دقیق Txو Tcr باشد. به طور کلی هر دو روش از نظر فیزیکی معادل هستند و اعتبار خوبی برای مطالعه مراحل تبلور دارند. شکل - 5 - نشان می دهد که انرژی فعالسازی برای نمونه ای با x=5 تغییر شدیدی دارد و دارای کمترین انرژی فعالسازی بلورینگی است؛ که بنظر می رسد ناشی از افزایش اکسیژن های غیر پیوندی باشد. این موضوع به معنی افزایش تردی شیشه است. همچنین با توجه به اطلاعات بدست آمده از جدول - 1 - ، نمونه هایS8 و S10 دارای بالاترین پایداری گرمایی و انرژی فعالسازی بلورینگی می باشند.
آنچنان که ذکر شده است، در مدل های اوزاوا و کیسینجر به ترتیب مبتنی بر روابط - 1 - و - 2 - می توان انرژی فعالسازی بلورینگی را محاسبه کرد. با توجه به شیب نمودارهای اوزاوا و کسینجر در شکل های - 3 - و - 4 - و ضرب آنها در مقدار ثابت گازها - Rg - ، انرژی فعالسازی نمونه ها محاسبه شده و درجدول - 1 - آمده است. همچنین انرژی فعالسازی نمونه ها برحسب تراکم Sb2O3 در شکل - 5 - رسم شده است. در پژوهش انجام گرفته، به طور کلی ضریب همبستگی خطی نمودارها - R2 - برای مدل کسینجر به یک نزدیکتر است و این نشان می دهد برای مطالعه این نمونه ها مدل کسینجر مناسب تر است.
