Densificazione in vetri SiO2 trasparenti preparati mediante sinterizzazione al plasma a scintilla

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14761 (2022) Citare questo articolo

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Recentemente, la sinterizzazione al plasma con scintilla (SPS) è diventata un metodo interessante per la preparazione di ceramiche allo stato solido. Poiché l'SPS è un processo a bassa temperatura assistito da pressione, è importante esaminare gli effetti della temperatura e della pressione sulle proprietà strutturali dei campioni preparati. Nel presente studio, abbiamo esaminato la correlazione tra le condizioni di preparazione e le proprietà fisiche e strutturali dei vetri SiO2 preparati da SPS. Rispetto al vetro SiO2 convenzionale, i vetri SPS-SiO2 presentano una densità e un modulo elastico più elevati, ma un primo picco di diffrazione netto del fattore di struttura totale dei raggi X di altezza inferiore. Gli spettri micro-Raman e micro-IR suggeriscono la formazione di regioni eterogenee all'interfaccia tra le polveri di SiO2 e la matrice di grafite. Considerando la formazione di difetti osservata negli spettri di assorbimento ottico, la reazione di riduzione influenza principalmente la densificazione del vetro SPS-SiO2. Pertanto, la reazione all'interfaccia è importante per personalizzare la struttura e le proprietà fisiche dei materiali allo stato solido preparati con la tecnica SPS.

La ceramica ha attirato l'attenzione dal punto di vista dei materiali funzionali con eccellenti stabilità termica e durabilità chimica. Considerando gli Obiettivi di sviluppo sostenibile (SDG), la fabbricazione di materiali funzionali non è importante solo dal punto di vista scientifico ma anche ambientale. Poiché le ceramiche trasparenti vengono utilizzate per varie applicazioni ottiche, i metodi e i materiali di fabbricazione disponibili sono stati studiati in tutto il mondo. La sintesi della ceramica convenzionale richiede energia e un processo di fabbricazione che richiede meno energia è un aspetto importante degli Obiettivi di sviluppo sostenibile. Un metodo di preparazione per ottenere materiali trasparenti è la sinterizzazione al plasma a scintilla (SPS)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. A differenza dei metodi convenzionali per la sintesi ceramica, il processo SPS consente la sinterizzazione a una temperatura più bassa e in un tempo più breve utilizzando l'energia elettrica e l'elevata energia del plasma di scarica1. Sebbene la dimensione del solido ottenuto sia limitata, la sinterizzazione ad alta pressione e bassa temperatura è interessante per la preparazione di nuovi materiali funzionali, come i fosfori7,8,9,10.

È stato riportato che le proprietà dei materiali solidi ottenuti mediante SPS sono diverse da quelle dei materiali convenzionali o dei materiali ottenuti mediante sinterizzazione convenzionale. Poiché la tecnica SPS è stata sviluppata per la fabbricazione di materiali, la funzionalità sembra essere la massima priorità per i ricercatori. Studi dettagliati delle proprietà fisiche e strutturali sono importanti non solo per l'analisi dei materiali ma anche per il miglioramento della tecnica SPS. Tuttavia, l'analisi strutturale microscopica mediante spettroscopia è considerata secondaria rispetto all'esame della funzionalità.

Il vetro SiO2 è stato utilizzato come materiale ottico fondamentale con elevata durabilità e stabilità chimica nelle fibre e nei substrati ottici. A causa dell'elevata temperatura coinvolta nella fabbricazione, sono stati fatti diversi tentativi per fabbricare vetro SiO2 a basse temperature; questi includono metodi in fase liquida (come sol-gel) e SPS. Il vetro SiO2 preparato da SPS è stato segnalato per la prima volta negli anni '90. È stata segnalata anche la luminescenza del vetro SiO2 contenente attivatori preparati mediante sinterizzazione7,8,9,10. Poiché i vetri SiO2 preparati con metodi diversi presentano proprietà diverse per scopi e applicazioni diversi, è molto importante indagare la relazione tra la struttura e le proprietà fisiche del vetro SiO2 preparato. Tuttavia, manca uno studio dettagliato della struttura del vetro SPS-SiO2. In questo studio, abbiamo eseguito un'analisi strutturale del vetro SiO2 preparato con il metodo SPS e abbiamo confrontato le sue caratteristiche con quelle del vetro SiO2 convenzionale. Inoltre, è stata utilizzata l'analisi microscopica selettiva per lo spazio per determinare l'eterogeneità spaziale del vetro SPS-SiO2.