Сжимающийся при нагревании материал поможет создавать надежные элементы точных приборов
Российские ученые создали материалы на основе боратов железа и хрома, которые при нагреве могут не расширяться, а сжиматься. Такие соединения помогут снизить риск микротрещин в деталях лазеров, датчиков, чипов и других высокоточных устройств.
Источник: Ярослав Бирюков / Институт химии силикатов имени И.В. Гребенщикова. Автор исследования — Ярослав Бирюков
МОСКВА, 16 июня. /Новости науки/. Ученые создали материалы на основе боратов железа и хрома, которые при нагреве выше комнатной температуры почти не меняются в размере или сжимаются. Это позволит создавать более надежные элементы оптических, электронных и спинтронных приборов, сообщила пресс-служба Российского научного фонда.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.
Большинство материалов при нагревании расширяются. Даже рост температуры на 10–20 градусов может немного изменить размер линз, зеркал мощных лазеров, магнитных датчиков и элементов процессоров. В сложном приборе соседние детали часто расширяются по-разному. Из-за этого появляются напряжения, микротрещины и другие дефекты. Со временем они могут вывести устройство из строя.
Решить эту проблему помогают материалы с очень низким или отрицательным коэффициентом теплового расширения. Это значит, что при нагреве они почти не меняют размер или немного сжимаются. Такие материалы редки. Кроме того, многие из них плохо выдерживают высокие температуры.
Ученые из Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова в Санкт-Петербурге вместе с коллегами синтезировали кристаллические материалы на основе боратов железа и хрома. Их структура делает материал устойчивым и позволяет менять его свойства за счет соотношения железа и хрома.
Для синтеза исследователи использовали оксиды железа, хрома и борную кислоту. Они получили три образца: чистый борат железа, смешанный борат с 86% железа и 14% хрома, а также чистый борат хрома.
Затем ученые изучили, как меняется структура этих материалов при температуре от 20 до 900 градусов Цельсия. Они также измерили магнитные свойства образцов и определили температуру их разложения.
Смешанный образец до 30 градусов Цельсия имел отрицательный объемный коэффициент расширения. При более сильном нагреве он почти не менялся в размере и объеме. Авторы связывают это с магнитострикцией — изменением формы или размера материала при перестройке его магнитного состояния.
Проще говоря, внутри вещества есть атомные «магнитики». Их можно представить как маленькие стрелки компаса. При нагреве прежний магнитный порядок нарушается. Из-за этого кристаллическая решетка может перестраиваться, а материал — сжиматься по отдельным направлениям или в объеме.
Исследователи также показали, что доля хрома влияет на температуру потери магнитного порядка. У чистого бората железа такая перестройка происходила примерно при 77 градусах Цельсия. У смешанного соединения — при 30 градусах. У чистого бората хрома — при минус 262 градусах.
Это значит, что свойства материала можно настраивать под разные условия работы, в том числе под сверхнизкие температуры. Такие условия важны для космической техники и сверхчувствительных датчиков.
Кроме того, чистый борат хрома оказался более термостойким. Он разлагался при температуре выше 900 градусов Цельсия. Для чистого бората железа этот предел составил 630 градусов.
«Полученные результаты показывают, что частичное замещение железа на хром в таких соединениях позволяет гибко настраивать физические свойства материала. Это открывает путь к созданию эффективных соединений с точно заданным коэффициентом расширения для высокоточных оптических, спинтронных и электронных устройств. В дальнейшем мы планируем сосредоточиться на изучении родственных соединений и расширить выборку таких материалов. Учитывая реальную практическую значимость матрицы бората железа, возможно, результаты исследований окажутся полезными или интересными для специалистов, занимающихся разработкой и созданием таких мегаустановок», — сказал руководитель проекта, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова Ярослав Бирюков.
В работе также участвовали ученые Казанского федерального университета, Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН, Санкт-Петербургского государственного университета и Сибирского федерального университета.
Исследование опубликовано в Journal of Materials Chemistry C. Метод работы включал синтез монокристаллов на основе боратов железа и хрома, анализ их структуры при нагреве от 20 до 900 градусов Цельсия, измерение магнитных свойств и оценку термостойкости.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.
Большинство материалов при нагревании расширяются. Даже рост температуры на 10–20 градусов может немного изменить размер линз, зеркал мощных лазеров, магнитных датчиков и элементов процессоров. В сложном приборе соседние детали часто расширяются по-разному. Из-за этого появляются напряжения, микротрещины и другие дефекты. Со временем они могут вывести устройство из строя.
Решить эту проблему помогают материалы с очень низким или отрицательным коэффициентом теплового расширения. Это значит, что при нагреве они почти не меняют размер или немного сжимаются. Такие материалы редки. Кроме того, многие из них плохо выдерживают высокие температуры.
Ученые из Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова в Санкт-Петербурге вместе с коллегами синтезировали кристаллические материалы на основе боратов железа и хрома. Их структура делает материал устойчивым и позволяет менять его свойства за счет соотношения железа и хрома.
Для синтеза исследователи использовали оксиды железа, хрома и борную кислоту. Они получили три образца: чистый борат железа, смешанный борат с 86% железа и 14% хрома, а также чистый борат хрома.
Затем ученые изучили, как меняется структура этих материалов при температуре от 20 до 900 градусов Цельсия. Они также измерили магнитные свойства образцов и определили температуру их разложения.
Смешанный образец до 30 градусов Цельсия имел отрицательный объемный коэффициент расширения. При более сильном нагреве он почти не менялся в размере и объеме. Авторы связывают это с магнитострикцией — изменением формы или размера материала при перестройке его магнитного состояния.
Проще говоря, внутри вещества есть атомные «магнитики». Их можно представить как маленькие стрелки компаса. При нагреве прежний магнитный порядок нарушается. Из-за этого кристаллическая решетка может перестраиваться, а материал — сжиматься по отдельным направлениям или в объеме.
Исследователи также показали, что доля хрома влияет на температуру потери магнитного порядка. У чистого бората железа такая перестройка происходила примерно при 77 градусах Цельсия. У смешанного соединения — при 30 градусах. У чистого бората хрома — при минус 262 градусах.
Это значит, что свойства материала можно настраивать под разные условия работы, в том числе под сверхнизкие температуры. Такие условия важны для космической техники и сверхчувствительных датчиков.
Кроме того, чистый борат хрома оказался более термостойким. Он разлагался при температуре выше 900 градусов Цельсия. Для чистого бората железа этот предел составил 630 градусов.
«Полученные результаты показывают, что частичное замещение железа на хром в таких соединениях позволяет гибко настраивать физические свойства материала. Это открывает путь к созданию эффективных соединений с точно заданным коэффициентом расширения для высокоточных оптических, спинтронных и электронных устройств. В дальнейшем мы планируем сосредоточиться на изучении родственных соединений и расширить выборку таких материалов. Учитывая реальную практическую значимость матрицы бората железа, возможно, результаты исследований окажутся полезными или интересными для специалистов, занимающихся разработкой и созданием таких мегаустановок», — сказал руководитель проекта, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова Ярослав Бирюков.
В работе также участвовали ученые Казанского федерального университета, Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН, Санкт-Петербургского государственного университета и Сибирского федерального университета.
Исследование опубликовано в Journal of Materials Chemistry C. Метод работы включал синтез монокристаллов на основе боратов железа и хрома, анализ их структуры при нагреве от 20 до 900 градусов Цельсия, измерение магнитных свойств и оценку термостойкости.
