Optical properties and radiation stability of SiO₂?nH₂O powder modified by ZrO₂ nanopar.pdf Порошки оксидов металлов, такие, как Zno, TiO2, ZrO2, Al2O3 с высокой отражательной способностью в солнечном диапазоне спектра широко используются в качестве пигментов терморегулирующих покрытий (ТРП) космических аппаратов (КА) класса «оптические солнечные отражатели». Под действием излучений космического пространства (КП) в процессе орбитального полета в этих пигментах и ТРП, изготовленных на их основе, образуются дефекты и центры окраски, что приводит к появлению полос поглощения и уменьшению коэффициента отражения (ρ) в различных областях спектра. Для увеличения стабильности оптических свойств пигментов к облучению используют различные технологические приемы: обработку в кислороде, фторирование, модифицирование оксидантами и редкоземельными элементами, прогрев в атмосфере кислорода, создание защитных слоев на поверхности зерен и гранул [1, 2]. В последние годы большое внимание уделяется модифицированию порошков наночастицами, выступающими в роли центров релаксации, образованных облучением дефектов [3]. К настоящему времени модифицирование наночастицами неорганических соединений достаточно изучено и используется для увеличения их стойкости к действию ионизирующих излучений [3, 4]. Ранее было показано [4, 5], что от многих кристаллических нанопорошков оксидных соединений (ZrO2, Al2O3, ZnO, TiO2, Y2O3, CeO2, ZrO2∙Y2O3, Al2O3∙CeO2) порошок SiO2 отличается аморфным состоянием и большой удельной поверхностью. Такое отличие имеет особое значение для увеличения радиационной стойкости модифицируемых ими соединений. Эти два свойства могут оказывать противоположное влияние на стойкость к действию излучений. Поэтому представляет научный интерес исследование оптических свойств и радиационной стойкости самих исходных и модифицированых наночастицами порошков SiO2. Целью работы является исследование влияния пригрева и модифицирования наночастицами ZrO2 на спектры диффузного отражения и их изменение после облучения электронами порошка SiO2∙nH2O, являющегося кремниевой кислотой Рис. 1. Спектры диффузного отражения порошка SiO2∙nH2O в исходном состоянии (кр. 1), после прогрева (кр. 2) и модифицирования наночастицами ZrO2 (кр. 3) Образцы для исследования приготавливали смешиванием порошка SiO2∙nH2O с наночастицами ZrO2 (5 мас. %, 20-40 нм, получены плазмохимическим способом [5]) в фарфоровой ступке, диспергированием в дистиллированной воде с использованием ультразвука и магнитной мешалки, выпариванием смеси в сушильном шкафу, перетиранием в фарфоровой ступке и прогревом 2 ч при 800 С. Приготовленные порошки запрессовывали при Р = 1 МПа в металлические подложки, устанавливали на предметном столике установки «Спектр» [6]. Получали вакуум 5∙10-7 Торр, регистрировали спектры отражения до облучения (ρλ0), облучали электронами с энергией 30 кэВ при φ = 1∙1012 см-2∙с-1, Ф = (0.5, 1 и 2)∙1016 см-2, Т = 300 К. После каждого периода облучения регистрировали спектры облученных порошков (ρλф) на месте облучения (in situ). Из спектров ρλ0 следует (рис. 1), что коэффициент отражения порошка в исходном состоянии (кривая 1) превышает 90 %. В областях вблизи 400, 1400 и 1800 нм регистрируются провалы, в области свыше 2000 нм коэффициент отражения уменьшается до 40 % и менее. Провалы в ближней ИК-области определяются деформационными колебаниями ОН-групп [7], в области 400 нм - собственными дефектами SiO2 [8-10]. После прогрева 2 ч при 800 С (кривая 2) ρ увеличивается по всему спектру, величина провалов уменьшается, в области λ ≥ 2000 нм значения ρ возрастают до 65 %. После модифицирования наночастицами ZrO2 прогревом в этом режиме (кривая 3) значения ρ незначительно уменьшаются в области λ ≤ 800 нм, в более длинноволновой части спектра они не изменяются по сравнению со значениями после прогрева порошка. Рис. 2. Спектры Δρλ после облучения электронами флюенсом 2•1016 см-2 порошков SiO2: исходного (кр. 1), прогретого 2 ч при 800 С (кр. 2) и модифицированного 5 % наночастицами ZrO2 (кр. 3) В разностных спектрах отражения (Δρλ), получаемых вычитанием спектров ρλф из спектров ρλ0, регистрируется полоса поглощения при 400 нм с затянутым длинноволновым фронтом до 1100 нм (рис. 2). В более длинноволновой области изменения спектров для всех трех порошков незначительные. Значения Δρ полосы при 400 нм составляют 50, 53 и 45 % для исходного, прогретого и модифицированного порошков соответственно. Такое соотношение указывает на незначительное увеличение концентрации радиационных дефектов, образованных облучением в прогретом порошке по сравнению с исходным, и на существенное их уменьшение в модифицированном порошке. Рис. 3. Зависимость значений Δаs от флюенса электронов исходного (кр. 1), прогретого 2 ч при 800 °С (кр. 2) и модифицированного наночастицами ZrO2 (кр. 3) порошков SiO2 По спектрам ρλ рассчитывали, согласно стандарту [11], интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения (аs) до облучения (аsо), после облучения электронами (аsф) и их разность (Δаs), характеризующую радиационную стойкость исследуемых порошков. Значения коэффициента поглощения аsо составили 0.173, 0.118 и 0.133 для исходного, прогретого и модифицированного порошков соответственно. Прогрев и модифицирование приводит к существенному уменьшению коэффициента поглощения, что имеет большое значение при практическом использовании таких порошков. Отличие проявляется и в значениях изменений интегрального коэффициента поглощения Δаs (рис. 3): прогрев 2 ч при 800 С порошка SiO2∙nH2O приводит к снижению, а прогрев с добавлением наночастиц ZrO2 в количестве 5 мас. % - к увеличению радиационной стойкости. Таким образом, модифицирование твердотельным способом наночастицами ZrO2 приводит к увеличению отражательной способности и радиационной стойкости порошка SiO2∙nH2O, что имеет значение при практическом его применении.

Скачать электронную версию публикации