Synthesis, physical, optical, mechanical, and radiation attenuation properties of TiO2–Na2O–Bi2O3–B2O3 glasses
Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10995/101468
Title: | Synthesis, physical, optical, mechanical, and radiation attenuation properties of TiO2–Na2O–Bi2O3–B2O3 glasses |
Authors: | Abouhaswa, A. S. Zakaly, H. M. H. Issa, S. A. M. Rashad, M. Pyshkina, M. Tekin, H. O. El-Mallawany, R. Mostafa, M. Y. A. |
Issue Date: | 2021 |
Publisher: | Elsevier Ltd |
Citation: | Synthesis, physical, optical, mechanical, and radiation attenuation properties of TiO2–Na2O–Bi2O3–B2O3 glasses / A. S. Abouhaswa, H. M. H. Zakaly, S. A. M. Issa, et al. — DOI 10.1016/j.ceramint.2020.08.122 // Ceramics International. — 2021. — Vol. 47. — Iss. 1. — P. 185-204. |
Abstract: | A series of bismo-borate (50-x)B2O3-xTiO2-15Na2O–30Bi2O3 glass samples (where x = 0, 2.5, 5, 7.5, and 10 wt%) doped with TiO2 were fabricated via the melt-quenching technique. The gamma and neutron shielding, physical, optical, and mechanical properties of the prepared samples were investigated. The experimental results were measured using an HPGe detector. 152Eu, 133Ba, 137Cs, and 60Co radioactive sources were used with energies in the range of 81–1408 keV. The experimental results were compared with both the FLUKA code and the XCOM database. The addition of TiO2 increased the density of the glass samples and decreased their molar volume. The mass attenuation coefficient (MAC) decreased as photon energy decreased, while it increased as TiO2 concentration increased. The half value layer (HVL) and mean free path (MFP) of the glass samples increased when the photon energy increased and decreased as the TiO2 concentration increased. The absorbance of the present samples is enhanced by using TiO2, meaning they can be used to protect humans from UV light. |
Keywords: | BISMUTH-BORATE GLASS FLUKA MECHANICAL SHIELDING PROPERTIES UVA BARIUM COMPOUNDS BISMUTH COMPOUNDS ENERGY GAP EUROPIUM COMPOUNDS GERMANIUM COMPOUNDS GLASS MECHANICAL PROPERTIES OXIDE MINERALS PHOTONS RADIOACTIVITY SODIUM COMPOUNDS TITANIUM DIOXIDE ELECTRONIC TRANSITION INDIRECT BAND GAP LOCALIZED STATE MASS ATTENUATION COEFFICIENTS MELT QUENCHING TECHNIQUES NEUTRON SHIELDING RADIOACTIVE SOURCES RADIATION SHIELDING |
URI: | http://hdl. handle.net/10995/101468 |
Access: | info:eu-repo/semantics/openAccess |
SCOPUS ID: | 85089735813 |
PURE ID: | 20114925 8caeffca-01f2-40ad-9d45-a83dbeaa1988 |
ISSN: | 2728842 |
DOI: | 10.1016/j.ceramint.2020.08.122 |
Appears in Collections: | Научные публикации, проиндексированные в SCOPUS и WoS CC |
Show full item record Google Scholar
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
8. Система Na2o-Al2o3-SiO2
Система Na2O-Al2O3-SiO2 представляет интерес в связи с изученикм природных алюмосиликатов натрия и использованием их в технологии силикатов, в частности, для введения Al 2O3.
Первая детализированная диаграмма состояния системы построена Дж. Шерером и Н. Боуэном. Основываясь на этих данных и внеся некоторые дополнения, Э. Осборн и А. Муан привели наиболее полную диаграмму, которая показана на рис. 1.75.
Известны следующие алюмосиликаты натрия.
Нефелин Na2O .Al2O3. 2SiO2–плавится инконгруэнтно при 1526оС. Имеет четыре модификации. Самая высокотемпературная форма называется корнегиитом.
Рис. 1.75. Диаграмма состояния системы Na2O-Al2O3-SiO2
Кубический высокотемпературный –корнегиит устойчив от температуры плавления до 1250 оС. При 1250 оС он медленно превращается в ромбическую нефелиновую фазу–высокотемпературный –нефелин. При 850 оС – нефелин переходит в -форму, обладающую гексагональной сингонией.
Решетка нефелина представляет собой каркас из тетраэдров SiO4 и AlO4, образующих шестирные кольца. Тетраэдры каждого слоя попеременно направлены к верху и к низу.
Превращение –корнегиита в -корнегиит происходит при температуре 670–700 оС. Нефелин–распространненый минерал нефелиновых сиенитов, базальтов и др.
Корнегиит так же известен в виде минерала, входящего в пагиоклазы. Нефилин с SiO2 дает твердые растворы. Непрерывный ряд твердых растворов корнегиитового ряда образует система Na 2O.Al2O3.2SiO2–Na2O.Al2O3.
Нефилин применяется в химической промышленности для получения оксида алюминия, соды, силикогеля. В качестве заменителя соды испльзуются в производстве бутылочного и тарного стекла.
Жадеит Na2O.Al2O3.4SiO2–плавится при 1000–1060 оС, но кристаллизация из расплава не получается, и поэтому на диаграмме состояния это соединение не проявляется. Кристаллизуется в моноклинной системе. Плотность–3300–3400 кг/м3. Известен как природный минерал жадеит и получен синтетически.
Альбит Na2
Альбит имеет решетку псевдотетроганального типа. Каждый ион Na+ окружен восемью ионами кислорода. Образует ограниченный ряд твердых растворов с нефелином.
Кроме того, есть данные о существовании соединения 2Na2O.Al2O3. 2SiO2–слабоанизотропного вещества с плотностью 2580 кг/м3 и Na2O.Al2O3. SiO2.
Четко окунторены на диаграмме состояния системы Na2O. Al2O3.
SiO2 области кристаллизации двойных соединений Na2O. SiO2, Na2O.2SiO2 и кремнезема. Области кристаллизации муллита и -глинозема намечены условно.К -глинозему относят высокоглиноземистое соединение Na2O. 11Al2O3 (по некоторым данным Na2O.12Al2O3). Между Na2O и Al2O3образуется еще одно соединение–Na2O.Al2O3. Плавится оно при температуре 1850 оС.
Наиболее
легкоплавкие эвтевтики в системе: 1)
между Na20.2SiO2,
альбитом и нефилином с температурой
плавления 732 оС;
2) между Na20.2SiO2,
альбитом и кремнеземом–740 оС;
3) между
Na20.2SiO2,
нефелином и Na20
Инвариантные точки системы приведены в таблице 1.18.
Таблица 1.18 Инвариантные точки системы Na2O-Al2O3-SiO2
№ | Сосуществующие фазы | Процесс | Состав, мас.% | Температура, оС | ||
Na2O | Al2O3 | SiO2 | ||||
1 | Na2O.Al2O3. 6SiO2+SiO2+ Na2O. 2SiO2+ жидкость | эвтектика | 21,5 | 4,7 | 73,8 | 740 |
2 | Na2O.Al2O3.6SiO2+SiO2+3Al2O3.2SiO2+жидкость | эвтектика | 7,8 | 13,5 | 78,7 | 1050 |
3 | Na2O.Al2O3.6SiO2+ 3Al2O3. 2SiO2+Al2O3+ жидкость | т.д.п. | 2,0 | 9,0 | 89,0 | 1470 |
4 | Na2O.Al2O3.6SiO2+ Na2O.Al2O3.2SiO2+ Na2O.2SiO2+жидкость | эвтектика | 26,0 | 12,5 | 61,5 | 732 |
5 | Na2O.2SiO2+ Na2O.Al2O3. 2SiO2+ Na2O.SiO2+жидкость | эвтектика | 32,0 | 10,1 | 57,9 | 760 |
6 | Na2O.Al2O3.6SiO2+ Na2O.Al2O3.2SiO2+ Al2O3+жидкость | эвтектика | 13,8 | 23,8 | 62,4 | 1063 |
Фазовая эволюция гелей Na2O-Al2O3-SiO2-h3O в синтетических алюмосиликатных связующих
. 2016 7 апреля; 45 (13): 5521-35.
дои: 10.1039/c5dt04878h. Epub 2016 25 февраля.
Брант Уокли 1 , Ракель Сан Николас, Марк-Антуан Сани, Джон Д. Гехман, Дженни С. Дж. ван Девентер, Джон Л. Провис
принадлежность
- 1 Факультет химической и биомолекулярной инженерии Мельбурнского университета, Виктория 3010, Австралия. [email protected].
- PMID: 26911317
- DOI: 10.1039/c5dt04878h
Бесплатная статья
Брант Уолкли и др. Далтон Транс. .
Бесплатная статья
. 2016 7 апреля; 45 (13): 5521-35.
дои: 10.1039/c5dt04878h. Epub 2016 25 февраля.
Авторы
Брант Уокли 1 , Ракель Сан Николя, Марк-Антуан Сани, Джон Д. Гехман, Дженни С. Дж. ван Девентер, Джон Л. Провис
принадлежность
- 1 Факультет химической и биомолекулярной инженерии Мельбурнского университета, Виктория 3010, Австралия. [email protected].
- PMID: 26911317
- DOI: 10. 1039/c5dt04878h
Абстрактный
Это исследование демонстрирует производство стехиометрически контролируемых щелочно-алюмосиликатных гелей («геополимеров») путем щелочной активации высокочистых синтетических аморфных алюмосиликатных порошков. Этот метод впервые обеспечивает процесс, с помощью которого химия вяжущих материалов на основе алюмосиликатов может быть точно смоделирована чистыми синтетическими системами, что позволяет выяснить физико-химические явления, контролирующие образование щелочно-алюмосиликатного геля, которому до сих пор препятствовала невозможность выделения и управлять ключевыми переменными. Фазовая эволюция и развитие наноструктуры этих материалов исследуются с использованием передовых методов характеризации, в том числе с помощью твердотельной MAS ЯМР-спектроскопии (29).)Si, (27)Al и (23)Na. Показано, что стехиометрия геля и кинетика реакции, контролирующие фазовое развитие, сильно зависят от химического состава реакционной смеси, а основным продуктом реакции является гель типа Na2O-Al2O3-SiO2-h3O, состоящий из алюминиевых и кремниевых тетраэдров, связанных кислородом. мостики, при этом натрий берет на себя функцию балансировки заряда. Щелочно-алюмосиликатные гели, полученные в этом исследовании, представляют собой химически упрощенную модельную систему, которая обеспечивает новый исследовательский инструмент для изучения фазовой эволюции и развития микроструктуры в этих системах. Новое понимание физико-химических явлений, управляющих образованием геополимерного геля, предполагает, что сложный контроль над зависящими от времени физическими свойствами геополимера может быть достигнут за счет тщательного подбора смеси прекурсоров. Химический состав основного продукта реакции геля типа N-A-S-H, а также кинетика реакции, управляющая его образованием, тесно связаны с соотношением Si/Al в предшественнике, при этом повышенное содержание Al приводит к увеличению скорости реакции и уменьшению отношения Si/Al. в геле типа N-A-S-H. Это имеет большое значение для разработки геополимерных смесей для промышленного применения.
Похожие статьи
29 Si{ 27 Al}, 27 Al{ 29 Si} и 27 Al{ 1 H} Двойная резонансная ЯМР-спектроскопия исследование цементного цезол-гель-гелиополисиликата натрия композиты.
Greiser S, Gluth GJG, Sturm P, Jäger C. Грейзер С. и соавт. RSC Adv. 2018 7 декабря; 8 (70): 40164-40171. дои: 10.1039/c8ra09246j. Электронная коллекция 2018 28 ноября. RSC Adv. 2018. PMID: 35558254 Бесплатная статья ЧВК.
Исследование структурного упорядочения в алюмосиликатных геополимерных гелях методом ЯМР 29Si.
Даксон П., Провис Дж.Л., Люки Г.К., Сепарович Ф., ван Девентер Дж.С. Даксон П. и др. Ленгмюр. 2005 29 марта; 21 (7): 3028-36. doi: 10.1021/la047336x. Ленгмюр. 2005. PMID: 15779981
Молекулярно-динамическое исследование роли молекулярной воды в структуре и механике аморфных геополимерных вяжущих.
Садат М.Р., Брингье С., Асадуззаман А., Муралидхаран К., Чжан Л. Садат М.Р. и др. J Chem Phys. 2016 7 октября; 145(13):134706. дои: 10.1063/1.4964301. J Chem Phys. 2016. PMID: 27782442
Включение стронция и кальция в геополимерные гели.
Walkley B, Ke X, Hussein OH, Bernal SA, Provis JL. Уокли Б. и др. Джей Хазард Матер. 2020 15 января; 382:121015. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.121015. Epub 2019 17 августа. Джей Хазард Матер. 2020. PMID: 31465947
Балансирующая роль ионов кальция и щелочных металлов в перщелочных алюмосиликатных стеклах.
Томсен Р.М., Скибстед Дж., Юэ Ю. Томсен Р.М. и соавт. J Phys Chem B. 29 марта 2018 г.;122(12):3184-3195. doi: 10.1021/acs.jpcb.7b12437. Epub 2018 20 марта. J Phys Chem B. 2018. PMID: 29513992
Посмотреть все похожие статьи
Цитируется
29 Si{ 27 Al}, 27 Al{ 29 Si} и 27 Al{ 1 H} Двойная резонансная ЯМР-спектроскопия исследование цементного цезол-гель-гелиополисиликата натрия композиты.
Greiser S, Gluth GJG, Sturm P, Jäger C. Грейзер С. и соавт. RSC Adv. 2018 7 декабря; 8 (70): 40164-40171. дои: 10.1039/c8ra09246j. Электронная коллекция 2018 28 ноября. RSC Adv. 2018. PMID: 35558254 Бесплатная статья ЧВК.
Влияние соотношения Na/Al на степень реакции щелочной активации: нелинейность и убывающая отдача.
Абдельрахман О., Гарг Н. Абдельрахман О. и др. Фронт хим. 2022 3 января; 9 января:806532. doi: 10.3389/fchem.2021.806532. Электронная коллекция 2021. Фронт хим. 2022. PMID: 35047482 Бесплатная статья ЧВК.
Изучение микроструктуры гидротермально синтезированных наночастиц K 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 -H 2 O Частицы.
Лю Б., Чжу С., Чжуан К., Шуай Л., Ли Д., Лонг В., Син Ф., Фан Ю. Лю Б. и др. Наноматериалы (Базель). 201926 декабря; 10 (1): 63. doi: 10.3390/nano10010063. Наноматериалы (Базель). 2019. PMID: 31888086 Бесплатная статья ЧВК.
Агрегаты, полученные щелочной активацией золы-уноса: влияние грануляции, способов окомкования и режимов отверждения.
Рудич О., Дуцман В., Малешев М., Радонянин В., Драганич С., Шупич С., Радека М. Рудич О и др. Материалы (Базель). 2019 6 марта; 12 (5): 776. дои: 10.3390/ma12050776. Материалы (Базель). 2019. PMID: 30845744 Бесплатная статья ЧВК.
Синтез наноразмерных CaO-Al₂O3-SiO₂-H₂O и Na₂O-Al₂O3-SiO₂-H₂O с использованием гидротермального метода и их характеристика.
Ян Дж., Ли Д., Фан Ю. Ян Дж. и др. Материалы (Базель). 2017 26 июня; 10 (7): 695. дои: 10.3390/ma10070695. Материалы (Базель). 2017. PMID: 28773061 Бесплатная статья ЧВК.
Типы публикаций
NA2O (оксид натрия, сода)
Коэффициент линейной экспансии | 0,387 | |||
---|---|---|---|---|
FRUTING DOFTING POINT | 920C (WARS ARSE ARSIDALIP-FIGHT | 920C (WARS ARSE ARSIDALIP. | Сухой M.O.R. (50% диоксида кремния) | 426C |
Примечания
— Натрий является немного более мощным флюсом для глазури, чем калий, но в остальном очень похож по своему поведению и свойствам. Вместе они обозначаются как KNaO. Натрий относится к группе щелочей. Это самый прочный распространенный флюс, работающий во всех диапазонах температур от 900 до 1300°C. Таким образом, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать чрезмерной текучести расплава в глазури, содержащей значительное количество натрия. Почти все фритты и глазури содержат хотя бы немного KNaO.
— Натрий получают главным образом из полевых шпатов и фритты. Доступны некоторые фритты, в которых содержится вдвое больше натрия, чем в полевом шпате, но очень мало алюминия 9.0143 2 O 3 , у большинства есть хотя бы несколько B 2 O 3 .
— Натрий дает яркие и блестящие поверхности глазури и дает сильную цветовую реакцию на медь, кобальт и железо (сочетание высокого содержания щелочи с низким содержанием оксида алюминия дает наиболее интенсивные цвета). Рекомендуется для железных красных, хромовых желтых и марганцевых фиолетовых.
— Глазури с высоким содержанием соды часто могут быть растворимыми и легко царапаемыми, поэтому также необходимы другие оксиды (такие как CaO, MgO) для обеспечения долговечности, прочности на растяжение, эластичности и устойчивости к выщелачиванию. Бутылочное стекло изготавливается с использованием комбинации соды и извести в качестве флюсов (флоат-стекло и тарное стекло содержат около 13% Na 9).0143 2 О). Интересно, что в этих стеклах всего 1-2% Al 2 O 3 , их долговечность возможна при использовании химии: 13% Na 2 O, 10% CaO и 75% SiO 2 .
— К сожалению, яркие цвета, возможные с высоким содержанием Na 2 O, достигаются за счет прилегания глазури. Он имеет более высокое тепловое расширение, чем любой другой оксид, и будет способствовать образованию трещин (особенно в глазури, не содержащей кремнезема и/или глинозема). Таким образом, глазури с высоким содержанием полевого шпата (более 35-40%) являются главными кандидатами на растрескивание. Если для определенного цветового эффекта требуется высокое содержание натрия (например, медно-синий), возможно, потребуется отрегулировать корпус, чтобы устранить растрескивание (увеличить его тепловое расширение). Кристаллические глазури, например, содержат большое количество натрия и чаще всего имеют трещинки. Селадоны и медно-красные, как правило, содержат большое количество натрия, они также сходят с ума в руках многих людей. Однако можно найти компромисс между ярким цветом и достаточно низким тепловым расширением, если заменить часть KNaO на CaO, MgO, BaO, SrO или Li 9.0143 2 O 3 и максимизируйте SiO 2 и Al 2 O 3 (при этом получая хороший расплав). Также можно использовать бор, он имеет очень низкое расширение и позволяет добавлять больше SiO 2 и Al 2 O 3 , они еще больше снижают его. Некоторые глазури имеют высокое содержание натрия (и, следовательно, крейз) совершенно излишне. Например, доломитовые штейны Cone 10 содержат 60 % полевого шпата! Механизм этого заключается в высоком содержании MgO в довольно жидкой основе. Однако MgO имеет самое низкое тепловое расширение из всех флюсов и хорошо работает, даже если SiO 2 и Al 2 O 3 высокие. CaO также является очень активным флюсом (с гораздо меньшим тепловым расширением), он легко справляется с большинством флюсовых задач. Конечно, вам понадобится немного химии глазури, чтобы сделать все это.
— Сода хорошо сочетается с оксидом бора (а также литием и калием) в низкотемпературных бессвинцовых глазурях.
— Щелочи могут повышать растворимость свинца.
— Ряд обычных материалов-источников натрия являются растворимыми (например, кальцинированная сода, бура) или слаборастворимыми (например, нефелиновый сиенит, натриевые фритты, борат Герстли). Для использования этих материалов в глазури требуются специальные методы или соображения.
— Натрий может начать улетучиваться при высоких температурах, это механизм глазирования соды и соли.
Оксид керамики Периодическая таблица
Все обычные традиционные керамические базовые глазури изготавливаются всего из дюжины элементов (плюс кислород). Материалы разлагаются при плавлении глазури, в результате чего эти элементы получаются в форме оксидов. Печь строит глазурь из них, ей не важно, какой материал является источником какого оксида (при условии, конечно, что все материалы плавятся или полностью растворяются в расплаве, высвобождая эти оксиды). Каждый из этих оксидов придает стеклу определенные свойства. Итак, вы можете посмотреть на формулу и сделать хороший прогноз свойств обожженной глазури. И знать, какой конкретный оксид увеличить или уменьшить, чтобы изменить свойство в заданном направлении (например, поведение при плавлении, твердость, долговечность, тепловое расширение, цвет, блеск, кристаллизация). И знать о том, как они взаимодействуют (влияя друг на друга). Это мощно. И это проще, чем рассматривать глазури как рецепты из сотен различных материалов (каждый источник содержит несколько оксидов, поэтому его корректировка влияет на несколько свойств).
Фритты плавятся намного лучше, чем сырье
Нажмите на картинку для полного размераПолевой шпат и тальк являются источниками флюса (плавители глазури), они распространены во всех типах глазури для керамических изделий. Но их плавящиеся оксиды, Na 2 O и MgO, заключены в кристаллические структуры, которые не плавятся раньше времени и не поставляют другие оксиды, с которыми им нравится взаимодействовать. Чистый полевой шпат только начинает размягчаться на конусе 6. А натриевая фритта уже очень активна на конусе 06! До конуса 6 тальк (лучший источник MgO) вообще не проявляет признаков плавления. Но фритта с высоким содержанием MgO прекрасно плавится на конусе 06! Фритты постепенно размягчаются, начиная с низких температур, как из-за того, что они были предварительно расплавлены, так и из-за значительного содержания бора. В обоих случаях Na 2 O и MgO свободно внедряются в качестве флюсов, активно участвуя в процессе разупрочнения.
Обратная сторона глазурей с высоким содержанием полевого шпата: Сумасшествие!
Нажмите на картинку для полного размераЭтот редукционный селадон сводит с ума. Почему? Высокий полевой шпат. Полевой шпат поставляет оксиды K 2 O и Na 2 O, они способствуют блестящему блеску и великолепному цвету (при всех температурах), но цена — очень высокое тепловое расширение. Любая глазурь, содержащая 40% и более полевого шпата, должна загореться красным светом! Тысячи рецептов, продаваемых в Интернете, содержат большое количество полевого шпата, некоторые из них составляют более 50%! Есть способы выдержать сильное расширение KNaO, но подавляющее большинство сходит с ума на всех телах, кроме высокого кварца. Сумасшествие — чума для гончаров. Прочность посуды резко снижается, изделия протекают, в глазури скапливаются бактерии, безумие побуждает покупателей возвращать изделия. Самое простое решение — пересадить механизм цвета и непрозрачности на более прозрачный, подходящий к вашей посуде (в этой глазури, например, механизм — просто железное дополнение). Исправление рецепта также может быть практичным. Смесь кремнезема и каолина в соотношении 2:1 имеет то же соотношение Si:Al, что и большинство глянцевых глазурей, и эта глазурь, скорее всего, легко выдержит добавление 20% этого количества. Это уменьшит пробег, улучшит посадку и повысит долговечность. Если сумасшествие не прекратится, следующим шагом будет замена некоторого количества KNaO с высоким коэффициентом расширения, флюса, на MgO с низким коэффициентом расширения, что требует проведения некоторой химии в вашей учетной записи Insight-live.com.
Звенья
Материалы | Полевой шпат |
---|---|
Материалы | Сода полевой шпат |
Материалы | фритта Мастер фритты |
Материалы | Нефелиновый сиенит Универсальный |
Оксиды | KNaO — оксиды калия/натрия |
Оксиды | K2O — оксид калия |
Глоссарий | Флюс Благодаря флюсам мы можем обжигать глиняные тела и глазури в обычных печах, они заставляют глазури плавиться, а тела стекловаться при более низких температурах. |
Глоссарий | Керамический оксид В химии глазури оксид является основной единицей формул и анализов. Знание того, какие материалы поставляют оксид и как он влияет на обожженное стекло или глазурь, является ключом к контролю. |
Глоссарий | Безумие Крайзованные керамические глазури имеют сеть трещин. Понимание причин является наиболее практичным способом ее решения. В 95% случаев решение заключается в регулировании теплового расширения глазури. |
Глоссарий | щелочь |
Глоссарий | Кракле глазурь Глазури кракле используются для декоративной керамической посуды. У них есть рисунок трещины, который является результатом несоответствия теплового расширения между корпусом и глазурью. |
Минералы | Na-полевой шпат |
Минералы | Полевой шпат |
Механизмы
Цвет глазури | Окислительный медно-синий цвет лучше всего подходит для высокощелочных глазурей с низким содержанием глинозема. |
---|