Специалисты Томского политехнического университета и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели цикл экспериментов на стенде УНУ ЭЛВ-6 по экспресс-изготовлению различного типа керамик. Одним из результатов стало получение люминесцентной керамики промышленного качества. Время изготовления составило секунды, при том что получение таких материалов другими методами занимает десятки часов. При такой производительности одна установка может обеспечить мировые потребности в определённых типах люминофорной керамики.

Люминофоры — это кристаллические многокомпонентные системы, как правило, их синтезируют с использованием твердофазных реакций. Температуры плавления компонентов могут достигать 2–3 тысяч градусов Цельсия.

«Смешиваемые компоненты имеют разные температуры плавления. Для облегчения процесса синтеза термическими методами в исходные смеси добавляют дополнительные вещества, от которых потом нужно избавляться. Термические технологии очень чувствительны к режимам сложной совокупности операций, предыстории исходных веществ. Поэтому синтез люминофоров проводится в условиях строгого соблюдения технологического регламента, разного у разных производителей. Существуют и другие методы синтеза с подобными недостатками», — прокомментировал профессор Томского политехнического университета доктор физико-математических наук Виктор Лисицын.

Поэтому постоянно ведутся работы по совершенствованию технологий синтеза. Синтез различных типов керамики, в том числе люминофорных, с помощью воздействия пучка электронов активно исследуется физиками Томского политехнического университета. Синтез электронным пучком способствует протеканию реакций, поскольку под воздействием радиации материалы приближаются к состоянию, близкому к плазменному. Этот метод позволяет спекать различные вещества, при необходимости меняя состав компонентов. В результате можно синтезировать керамику сложного состава и исследовать, каким образом примеси различных компонентов влияют на свойства конечного материала.

Эксперименты проводились на базе промышленного ускорителя электронов ИЯФ СО РАН, который позволяет выводить мощный сфокусированный электронный пучок в атмосферу. Стенд имеет статус Уникальной научной установки (Стенд УНУ ЭЛВ-6).

«Энергия электронов в пучке может варьироваться по желанию заказчика от 1 до 2,5 МэВ, — пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Михаил Голковский. — Такое значение энергии позволяет пронизывать слой порошка с массовой толщиной около 1 г/см², что в среднем соответствует толщине слоя порошка около 1 см. Перед облучением порошок с толщиной слоя, несколько превышающей указанную толщину, помещается в массивный медный тигель и перемещается под сканирующим электронным пучком перпендикулярно направлению сканирования. Происходит синтез керамики требуемого состава за счёт сплавления исходных порошковых компонентов».

Михаил Голковский отметил, что этот метод спекания керамики обладает рядом преимуществ. «Продолжительность синтеза из исходных порошковых компонентов составляет секунды, в то время, как процесс изготовления керамик традиционными методами обычно включает несколько стадий и может продолжаться несколько суток. В связи с тем, что для синтеза используются инертные к воздействию атмосферы исходные материалы, в процессе синтеза не происходит изменения химического состава исходной смеси. Кроме того, при таком методе создания материала в него не вносятся загрязнения», — пояснил Михаил Голковский.

Единственная сложность в настоящее время состоит в необходимости размола синтезированной керамики, а она, как и большинство керамик, имеет высокую твёрдость. По словам Виктора Лисицына, решается и эта проблема: для этого можно использовать электроразрядные методы, не исключены и механические.

«Область применения полученного материала, — отметил Михаил Голковский, — широка. Измельченную люминофорную керамику наносят тонким слоем на поверхность выхода света светоизлучающих приборов, например, на газоразрядные люминесцентные лампы (используются для освещения в большинстве организаций), светодиодные лампы, которые используются для освещения в быту, светодиоды белого света в электронных приборах, фонариках и пр. Также этот материал используется для светодиодной подсветки жидкокристаллических экранов компьютеров, телевизоров и сотовых телефонов».

Получение под воздействием электронного пучка разнообразных керамик из исходных порошковых компонентов — одно из наиболее перспективных направлений работы на стенде УНУ ЭЛВ-6. Исследования по этому направлению были инициированы и проводятся под руководством профессора Виктора Михайловича Лисицына из Томского политехнического университета. На стенде синтезируются различные типы материалов, однако в получении люминесцирующих керамик был достигнут особо заметный успех. Получены люминофоры на основе иттрий алюминиевого граната (YAG), фторида магния (MgF₂), фторида бария (BaF₂), оксида магния (MgO), магниевого алюмината (MgAl₂O₄).

Как отметил Виктор Лисицын, ведутся работы, направленные на повышение функциональных свойств синтезируемых керамик, расширению круга синтеза тугоплавких керамик, изучению физико-химических процессов при радиационном синтезе.

В настоящее время исследования по люминесцентной керамике проводятся в рамках гранта РНФ № 23-73-00108 «Экспресс-технология радиационного синтеза высокотемпературной оксидной керамики для фотоники».

Источник: ИЯФ СО РАН.