КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-73-00108
НазваниеЭкспресс-технология радиационного синтеза высокотемпературной оксидной керамики для фотоники
РуководительПолисадова Елена Федоровна, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2026 г. |
Конкурс№79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-202 - Химия твердого тела, механохимия
Ключевые словарадиационный синтез, фотоника, керамика, оксид, люминофор, мощный поток электронов, ионизация, люминесценция
Код ГРНТИ31.15.19
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Настоящий проект направлен на разработку принципиально новой перспективной экспресс технологии радиационного синтеза тугоплавких, сложных по составу оптических (прозрачных и люминесцирующих) керамик на основе оксидов металлов в поле мощных потоков высокоэнергетических электронов для использования их в качестве материалов для лазеров, сцинтилляторов, дозиметрических материалов, люминофоров. Такие вещества функционируют в условиях высоких внешних нагрузок: нагрев люминофоров в светодиодах, лучевая нагрузка в активных средах лазеров, сцинтилляторы в поле радиации, поэтому они должны быть устойчивыми к тепловым, механическим, радиационным воздействиям. Этим требованиям удовлетворяют материалы на основе тугоплавких оксидов металлов, в виде поликристаллов, керамики. Свойства таких материалов могут варьироваться в широких пределах путем изменения состава матриц, выбора активаторов, модификаторов. Однако, процесс синтеза керамики из тугоплавких соединений довольно сложен, включает в себя множество этапов, время- и энергозатратен, методики обладают низкой воспроизводимостью. Существует потребность в разработке новых методов синтеза, более универсальных, эффективных, управляемых.
Использование мощных потоков высокоэнергетических электронов дает возможность существенного ускорения процесса синтеза тугоплавких оптических материалов путем стимулирования твердофазных реакций в поле радиации,реакций между промежуточными продуктами радиолиза. Использование высоких плотностей мощности приведет к включению в процесс синтеза новых эффектов, существенному уменьшению времени синтеза. Таким образом, открываются новые возможности получения сложных многокомпонентных материалов и создания эффективных экспресс-технологий синтеза функциональных материалов для использования в сфере фотоники.
Для реализации радиационного синтеза требуются источники радиации высокой мощности, входящие в состав "Комплекса уникальных научных установок и центров коллективного пользования ИЯФ СО РАН для проведения исследований и разработок с использованием пучков заряженных и нейтральных частиц, высокотемпературной плазмы, синхротронного и терагерцового излучения".
Научная новизна предлагаемого проекта заключается в том, что впервые будет использован эффект высокой плотности ионизации в поле мощных потоков радиации в синтезе материалов из тугоплавких компонентов; впервые будут исследованы и проанализированы процессы, определяющие эффективность формирования высокотемпературной оксидной керамики в поле мощных потоков радиации, установлены закономерности, определяющие зависимость функциональных свойств материалов от условий синтеза; разработаны рекомендации для радиационного синтеза оксидных тугоплавких материалов, в том числе многокомпонентных.
Цель проекта: разработка научных основ высокоэффективных универсальных технологий радиационного синтеза поликристаллов и керамики из тугоплавких оксидных соединений, с использованием пучка высокоэнергетических электронов, для получения функциональных материалов с комплексом заданных свойств.
Задачи проекта:
1) Выполнить цикл поисковых работ по оптимизации условий экспресс синтеза керамики на основе: иттрий-алюминиевого граната, алюмо-магниевой шпинели; оксидов алюминия, магния, иттрия, галлия, циркония.
2) Выполнить цикл работ по исследованию оптических, люминесцентных свойств "чистых" и активированных образцов керамики на основе оксидов металлов, полученных радиационным синтезом.
Синтезировать образцы активированной керамики на основе, алюмо-магниевой шпинели, иттрий-алюминиевого граната, оксидов металлов.
3) Изучить механизмы синтеза керамики при стимулировании процесса в поле радиации. Исследовать закономерности передачи энергии возбуждения центрам свечения (примесным и собственным) образцах керамики.
4) Сформулировать рекомендации для методик радиационного синтеза керамики на основе оксидных материалов с комплексом заданных свойств.
Ожидаемые результаты
1. Будут разработаны научно-технические основы принципиально нового эффективного метода радиационного синтеза люминесцирующих тугоплавких оксидных материалов с использованием мощных потоков ионизирующей радиации, обеспечивающего высокую скорость и управляемость процесса синтеза из шихты стехиометрического состава без введения вспомогательных веществ, воспроизводимость результатов синтеза.
2. Будут развиты представления о процессах преобразования энергии в широкозонных диэлектрических веществах, их смесях при воздействии мощных потоков жесткой радиации, представления по кинетике процесса радиационного синтеза керамики.
3. Будут исследованы возможности получения новых материалов с уникальными свойствами методом радиационного синтеза.
4. Будут разработаны рекомендации по использованию радиационной технологии синтеза люминесцирующих материалов на основе тугоплавких материалов в промышленных масштабах.
Научные и практические результаты проекта в совокупности позволят разработать и развить новую эффективную интеллектуальную технологию синтеза поликристаллов и керамики с использованием радиационного излучения. Развитие технологий синтеза и разработка новых материалов будет способствовать развитию технологической платформы "Фотоника", будет обеспечивать получение качественных функциональных материалов для целей фотоники.
Ожидаемые результаты будут соответствовать мировому уровню, и опережать его. Предлагаются новые перспективные подходы к синтезу керамики, внедрение которых позволит решить многие проблемы синтеза тугоплавких соединений. Внедрение радиационной технологии экспресс синтеза позволит сократить цикл разработки новых материалов и запуска их в производство.
В рамках направления из Стратегии НТР РФ "Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта" проект решает задачи в области перехода к передовым интеллектуальным производственным технологиям и разработки новых материалов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках проекта выполнен комплекс работ по экспериментальному обоснованию возможности проведения радиационного экспресс-синтеза керамики на основе оксидов и их смесей: Al2O3, Y2O3, MgO, ZrO2, MgAl2O4, Y3Al5O12. Определены диапазоны энергии электронов в пучке, мощности электронного пучка ускорителя ЭЛВ-6, целесообразные для реализации радиационного синтеза оксидной керамики. Проведена комплексная характеризация структурных и оптико-люминесцентных свойств синтезированных керамик, предназначенных для использования в качестве функциональных материалов фотоники. Исследовано влияние на эффективность синтеза керамики гранулометрического состава исходных компонентов, введения активаторов, способа подготовки шихты. Рассмотрены факторы влияния на эффективность синтеза керамики на основе широкозонных оксидов физико-химических свойств исходных материалов. Проведен анализ физических процессов, сопровождающих воздействие мощного электронного пучка на смесь порошков.
Получены следующие результаты:
1. Выполнен радиационный синтез образцов керамики иттрий-алюминиевого граната ИАГ:Ce (Y3Al3O12:Се), алюмо-магниевой шпинели АМШ (MgAl2O4), оксида циркония. ZrO2 и керамических образцов из исходных веществ Y2O3, Al2O3, MgO. Получены образцы керамики в виде пластин с размерами до 50х100 мм2толщиной 3—5 мм и массой 40-60 г., исследованы ее структурные характеристики. [Lisitsyn, V.; Tulegenova, A.; Golkovski, M.; Polisadova, E.; Lisitsyna, L.; Mussakhanov, D.; Alpyssova, G. Radiation Synthesis of High-Temperature Wide-Bandgap Ceramics. Micromachines 2023, 14, 2193. https://doi.org/10.3390/ mi14122193]
2.Доказано экспериментально и теоретически влияние неоднородности распределения потерь энергии пучка высокоэнергетических электронов гауссовской формы на результат синтеза. Потери энергии электронов максимальны вдоль оси пучки и на удалении от внешней поверхности. Концентрация пучка обеспечивает появление затравок для синтеза. [Lisitsyn, V.; Mussakhanov, D.; Tulegenova, A.; Kaneva, E.; Lisitsyna, L.; Golkovski, M.; Zhunusbekov, A. The Optimization of Radiation Synthesis Modes for YAG:Ce Ceramics. Materials 2023, 16, 3158. https://doi.org/10.3390/ ma16083158]
3. Установлена зависимость эффективности синтеза керамики сложного состава от дисперсности использованных порошков исходных веществ. Эффективность радиационного оптимальна при использовании частиц порошков с размерами 1-10 мкм. Эффективность синтеза из порошков с наноразмерными частицами низка из за большой вероятности распада электронных возбуждений на поверхности частиц без образования радикалов. При использовании для синтеза керамики порошков с размерами частиц более 10 мкм имеет место локальная нестехиометрия состава. [Lisitsyn, V.; Polisadova, E.; Lisitsyna, L.; Tulegenova, A.; Denisov, I.; Golkovski, M. Efficiency Dependence of Radiation-Assisted Ceramic Synthesis Based on Metal Oxides and Fluorides on Initial Powder Particle Sizes. Photonics 2023, 10, 1084. https://doi.org/10.3390/ photonics10101084]
4. Установлено, что функциональные характеристики (спектральные и кинетические характеристики свечения, сцинтилляционные свойства при возбуждении ускоренными электронами) полученной радиационным синтезом керамики (время синтеза 1с, без добавок любых веществ для облегчения синтеза) качественно подобны характеристикам аналогичных материалов, полученным используемыми термическими методами. С использованием люминофора из синтезированной ИАГ:Ce керамики были изготовлены светодиоды. Световая отдача отдельных светодиодов сопоставима и даже иногда превышает световую отдачу промышленных светодиодов. Показано, что синтезируемая керамика на основе ИАГ имеет конкурентные свойства в части ее использования для изготовления люминофоров. [Karipbayev, Z.T.; Lisitsyn, V.M.; Golkovski, M.G.; Zhilgildinov, Z.S.; Popov, A.I.; Zhunusbekov, A.M.; Polisadova, E.; Tulegenova, A.; Mussakhanov, D.A.; Alpyssova, G.; Piskunov, S. Electron Beam-Assisted Synthesis of YAG:Ce Ceramics. Materials 2023, 16, 4102. doi: 10.3390/ma16114102 ]
5. Синтезированная в поле мощного потока радиации ZrO2 керамика по своим свойствам является перспективной для использования в термолюминесцентной дозиметрии: обладает высокоинтенсивным термолюминесцентным откликом (превышающим таковой в кристаллическом оксиде циркония), подходит для измерения высоких доз радиации (от нескольких до десятков кГр). Показана целесообразность расширения исследований работы по совершенствованию, оптимизации радиационного синтеза керамики простых оксидов, перспективных для термолюминесцентной дозиметрии.
6. Проведенными предварительными исследованиями показана целесообразность расширения круга синтезируемых люминесцирующих материалов, способных обеспечивать получение люминофоров для светодиодов с улучшенной цветопередачей (синтез керамики более сложных составов), расширение круга синтезируемых материалов для использования в качестве сцинтилляторов. Метод радиационного экспресс-синтеза позволяет оперативно варьировать состав материала и технические условия, тем самым управлять и оптимизировать функциональные свойства керамики. [Н.Д. Чан Анализ применения алюмомагниевой шпинели с активаторами Eu3+ , Ce3+, Er3+, Mn2+ в качестве люминофора для светодиодов // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР, Томск, 17–19 мая 2023 г.: в 3 ч. (2023 г.); Н.В. Амбарникова, Влияние концентрации люминофора в чипе светодиода на неравномерность цветности и световую отдачу // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР, Томск, 17–19 мая 2023 г.: в 3 ч. (2023 г.) https://storage.tusur.ru/files/163626/2023_2_RINC.pdf]
Результаты работ были представлены в 8-ми устных докладах на четырех международных конференциях. Опубликовано 5 статей в журналах, индексируемых WoS и Scopus, 2 статьи в сборниках конференций, индексируемых РИНЦ.
Результаты проекта освещались в публикациях информационных агентств и новостях научных и образовательных учреждений: РИА Новости «В России создали уникальный метод синтеза керамики для диодов и лазеров» https://ria.ru/20230628/nauka-1880060811.html ; Атомная энергия «ИЯФ СО РАН и ТПУ изготовили люминофорную керамику промышленного качества за 1 секунду» https://www.atomic-energy.ru/news/2023/10/05/139418 ; Информационное агентство «Красная весна» «Физики ТПУ изготовили люминофорную керамику за секунды» https://rossaprimavera.ru/news/fae1f290 ; Служба новостей ТПУ «Ученые Томского политеха разработали импортозамещающую технологию производства излучающих материалов для светодиодов» https://news.tpu.ru/news/uchenye-tomskogo-politekha-razrabotali-importozameshchayushchuyu-tekhnologiyu-proizvodstva-izluchayu/?sphrase_id=16776
Публикации
1. Беркович Р. С. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ЦЕРИЯ В АЛЮМОИТТРИЕВОМ ГРАНАТЕ НА ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЮМИНОФОРА Инновационная светотехника: журнал РНК МКО, 1, 2023, стр. 58-61 (год публикации - 2023)
2. Виктор Лисицын, Аида Тулегенова, Михаил Голковский, Елена Полисадова, Людмила Лисицына, Досымхан Мусаханов, Гульнур Алпысова Radiation Synthesis of High-Temperature Wide-Bandgap Ceramics Micromachines, 14(12), 2193 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/mi14122193
3. Виктор Лисицын, Досымхан Мусаханов, Аида Тулегенова, Екатерина Канева, Людмила Лисицына, Михаил Голковский, Амангельды Жунусбеков The Optimization of Radiation Synthesis Modes for YAG:Ce Ceramics Materials, 16, 3158 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ma16083158
4. Жакып Т. Карипбаев, Виктор М. Лисицын, Михаил Г. Голковский, Жассулан С. Жилильдинов, Анатолий И. Попов, Амангельды М. Жунусбеков, Елена Полисадова, Аида Тулегенова, Досымхан А. Мусаханов, Гульнур Алпысова, Сергей Пискунов Electron Beam-Assisted Synthesis of YAG:Ce Ceramics Materials, 16(11), 4102 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ma16114102
5. Лисицын В.; Полисадова Е.; Лисицына Л.; Тулегенова А.; Денисов И.; Голковский, М. Efficiency Dependence of Radiation-Assisted Ceramic Synthesis Based on Metal Oxides and Fluorides on Initial Powder Particle Sizes Photonics, 10, 1084 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/photonics10101084
6. Лисицын В.М.; Карипбаев Ж.Т.; Жилильдинов Ж.С.; Жунусбеков А.М.; Тулегенова А.Т.; Голковский, М.Г. Effect of Precursor Prehistory on the Efficiency of Radiation-Assisted Synthesis and Luminescence of YAG:Ce Ceramics Photonics, 10 (5), 494 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/photonics10050494
7. Н.В. Амбарникова, Е.Ф. Полисадова Влияние концентрации люминофора в чипе светодиода на неравномерность цветности и световую отдачу Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР, Томск, 17–19 мая 2023 г.: в 3 ч., Томск: ТУСУР, часть 2, с.105-107 (год публикации - 2023)
8. Н.Д. Чан АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЮМОМАГНИЕВОЙ ШПИНЕЛИ С АКТИВАТОРАМИ Eu3+ , Ce3+, Er3+, Mn2+ В КАЧЕСТВЕ ЛЮМИНОФОРА ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР, Томск, 17–19 мая 2023 г.: в 3 ч., Томск: ТУСУР, часть 2, с.68-71 (год публикации - 2023)
9. Амбарникова Н.В., Полисадова Е.Ф., Лисицын В.М., Домаров Е.В. Рентгенофазовый анализ люминесцентной керамики YAG:Сe, синтезированной радиационным методом Материалы XIX Международной молодежной конференции по люминесценции и лазерной физике, Иркутск, 03–07 июля 2023 года, Иркутск: Иркутский государственный университет, 2023. – С. 19-20. (год публикации - 2023)
10. Беркович Р.С. Зависимость корреллированной цветовой температуры и спектра от концентрации люминофора в светодиоде Электронные средства и системы управления: материалы докладов XIХ Международной научнопрактической конференции (15–17 ноября 2023 г.): в 2 ч. – Ч. 1, Электронные средства и системы управления: материалы докладов XIХ Международной научнопрактической конференции (15–17 ноября 2023 г.): в 2 ч. – Ч. 1. – Томск: В-Спектр (ИП Бочкарева В.М.), 2023. с.259-260 (год публикации - 2023)
11. И.А. Сайдазимов, Б.П. Гриценко Синтез YAG:Ce керамики в поле радиации Материалы XIX Международной молодежной конференции по люминесценции и лазерной физике, Иркутск, 03–07 июля 2023 года, Иркутск: Иркутский государственный университет, 2023. – С. 171 (год публикации - 2023)
12. Н.В. Амбарникова Структурные свойства люминесцентной керамики YAG:Ce, синтезированной радиационным методом Научная сессия ТУСУР: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР - 2023", Ч.1, Томск: ТУСУР, часть 1, с.230-233 (год публикации - 2023)
13. Н.В. Амбарникова, Е.Ф. Полисадова STRUCTURAL PROPERTIES OF LUMINESCENT CERAMICS YAG:CE INVESTIGATED USING X-RAY Научная сессия ТУСУР: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР - 2023", Ч. 3, Томск: ТУСУР, часть 3, с.265--266 (год публикации - 2023)
14. Н.Д. Чан, Е.Ф. Полисадова ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНИЯ АЛЮМОМАГНИЕВОЙ ШПИНЕЛИ MgAl2O4:Mn, СИНТЕЗИРОВАННОЙ РАДИАЦИОНЫМ МЕТОДОМ Материалы XIX Международной молодежной конференции по люминесценции и лазерной физике, Иркутск, 03–07 июля 2023 года, Иркутск: Иркутский государственный университет, 2023. – С. 171 (год публикации - 2023)
15. - В России создали уникальный метод синтеза керамики для диодов и лазеров РИА Новости, - (год публикации - )
16. - ИЯФ СО РАН и ТПУ изготовили люминофорную керамику промышленного качества за 1 секунду Атомная энергия, - (год публикации - )
17. - Физики ТПУ изготовили люминофорную керамику за секунды Информационное агенство Красная весна, - (год публикации - )
18. - Ученые Томского политеха разработали импортозамещающую технологию производства излучающих материалов для светодиодов Служба новостей ТПУ, - (год публикации - )