IV.7.1 Спектр пропускания стёкол и стеклокристаллических материалов

На рис. 4.11 приведён спектр пропускания материалов состава ВаО·В2О3·0,2LaF3·0,01ErF3 в видимой и ближней ИК области.

Рис.4.11. Спектр пропускания стекла и стеклокристаллического материала состава ВаО·В2О3·0,2LaF3·0,01ErF3. Толщина образцов 3 мм

На спектре пропускания как стекла, так стеклокристаллического материала, отчётливо видны практически все полосы поглощения, характерные для иона Er3+ в стёклах (см. рис.1.12 (а)).

Коротковолновый край пропускания для стекла равен 339 нм, для СКМ - 343 нм. Край пропускания оксифторидного стекла смещён в длинноволновую область по сравнению с чистыми барий-боратными стёклами.

Снижение пропускания в коротковолновой части спектра после термообработки может служить косвенным подтверждением возникновения в материале большого числа кристаллитов размерами до 100 нм. То, что в районе 700 нм пропускание стекла и стеклокристаллического материала сравнивается и выходит на 100%, свидетельствует о хорошем качестве СКМ и отсутствии в нём крупных рассеивающих центров.

IV.7.2 Поглощение Er3+ в стёклах и стеклокристаллических материалах

Нами были исследованы спектры поглощения на уровень 4I11/2 (рис. 4.12.). Поглощение в этом диапазоне важно для накачки эрбиевых лазеров, поскольку этот уровень является короткоживущим и обеспечивает населённость нижележащего метастабильного уровня 4I13/2.

Рис. 4.12. Спектр поглощения Er3+ в материале ВаО·В2О3·0,2LaF3·0,01ErF3 на уровень 4I11/2 1 - стекло, 2 - СКМ.

Спектр поглощения, как стекла, так и стеклокристаллического материала, представляет собой неоднородно уширенную полосу с максимумом в районе 975 нм и полушириной около 20 нм для обоих спектров.

Интенсивность поглощения в стеклокристаллическом материале в районе максимума немного превосходит интенсивность поглощения в стекле, что также может служить подтверждением произошедших в стекле при термообработке структурных изменений.

V. Заключение и выводы

1. В ходе работы были получены барий-боратные оксифторидные стёкла с разным соотношением оксидов бария и бора и разной концентрацией фторида РЗЭ. Выбранная методика позволила получить стёкла с содержанием LaF3 до 10 мол.%. Для таких стёкол отработаны параметры синтеза и отжига.

2. Определены характеристические температуры для стёкол составов: ВаО·1,5В2О3·0,2LaF3; ВаО·В2О3·0,2LaF3; 1,5ВаО·В2О3·0,2LaF3. По этим данным выбраны режимы термообработки стёкол.

3. Проведены термообработки стёкол в различных режимах, получены прозрачные стеклокристаллические материалы, а также непрозрачные, содержащие большую долю кристаллической фазы. Кристаллические фазы, выделяющиеся при кристаллизации в разных режимах таковы: во всех случаях это различные барий-боратные фазы (?-BaB2O4, ВаВ4О7, Ва3В2О6, ВаВ8О13) и фторид лантана.

4. Исследовано влияние термообработки на свойства материалов. Показано, что плотность возрастает после термообработки на 4-8%; микротвердость и предел упругости возрастают на 15-30%; уменьшается пропускание в коротковолновой области, край смещается в длинноволновую область на 4 нм.

5. Исследовано поглощение иона Er3+ в стекле и прозрачном стеклокристаллическом материале. Показано, что интенсивность поглощения в стеклокристаллическом материале в районе максимума немного превосходит интенсивность поглощения в стекле.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что в системе ВаО-В2О3-LaF3 проведено исследование процесса кристаллизации стёкол, на основе которого получен стеклокристаллический материал, по своим механическим и оптическим свойствам отличный от исходного стекла.

VI. Охрана труда

VI.1 Краткая характеристика выполняемой работы

VI.1.1 Опасные и вредные производственные факторы

Экспериментальную часть данной дипломной работы можно разбить на несколько этапов:

1. взвешивание компонентов шихты;

2. варка образцов стёкол;

3. отжиг образцов для снятия термических напряжений либо с целью кристаллизации исходного стекла;

4. подготовка образцов для различного вида исследований.

На первом этапе возможно распыление порошков; на втором и третьем главную опасность для здоровья представляет работа с электроприборами и высокие температуры. На этапе подготовки образцов возможно также распыление частиц стекла и СКМ. Самыми опасными этапами являются синтез и термообработка материалов.

Вывод: при выполнении работы существуют следующие вредные и опасные производственные факторы:

§ высокое напряжение - 220В

§ высокие температуры - максимально 1500°С

§ пыль реактивов и полученных образцов.

VI.1.2 Характеристика используемых веществ

Карбонат бария ВаСО3

Белый порошок; нерастворим в воде, но растворим в кислотах с бурным выделением СО2. Тпл=1500°С, плотность 4,25 г/см3. При температуре выше 1000°С диссоциирует на ВаО и СО2. Ядовит.

ПДК 0,5 мг/м3.

Класс опасности - 2.

Пыль карбоната бария вызывает раздражение кожи и слизистых оболочек. Путь поступления в организм - ингалляционный. Обладает гонадотропным и эмбриотоксическим действием [30].

Оксид бора В2О3

Бесцветное стеклообразное вещество; плавится в интервале 325-450°С. плотность 2,46 г/см3, Ткип=2225°С. Термически стоек - не разлагается даже при 1000°С. Энергично ремгирует с водой, давая Н3ВО3. Расплавленный оксид бора растворяет многие металлы.

ПДК 5 мг/м3.

Класс опасности - 3.

Вдыхание пыли В2О3 раздражает слизистые оболочки, попадание на кожу вызывает зуд. Путь поступления в организм - ингалляционный. Вызывает хронический бронхит [1].

Фториды РЗЭ - лантана, эрбия LaF3, ErF3

LaF3 - белые кристаллы. Фторид лантана мало растворим в воде и разбавленных кислотах; растворяется в концентрированных растворах щелочных металлов; Тпл=1427°С , Ткип=2327°С, плотность 5,93 г/см3.

ErF3 - розовые кристаллы. Растворим в воде.

ПДК = 5мг/м3

Класс опасности - 3.

Вызывают изменения в лёгких, сердечный бронхит, снижение гемоглобина в крови, сильно раздражают повреждённую кожу, накапливаются в коллагеновой фракции костной ткани. В организм попадают ингалляционным путём [30].

Графит порошок С

Аллотропная модификация углерода. Жирное на вид вещество чёрного или серо-чёрного цвета. Теоретическая плотность 2,27 г/см3.

Инертен при нормальных условиях. Окисляется на воздухе до СО2 выше 400°С. С молекулярным азотом практически не реагирует. С большинством металлов и оксидов, а также с неметаллами даёт карбиды.

Графит стоек к действию кислот, растворов солей, расплавов фторидов, сульфидов, теллуридов, органических соединений, жидких углеводородов и др., реагирует с растворами щелочей, жидкими окислителями и рядом хлор- и фторорганических соединений [31].

ПДК 4 мг/м3.

Класс опасности - 3.

При попадании в глаза возможны конъюктивиты, раздражение роговицы. Раздражает и сушит кожу, может привести к образованию гнойничков, дерматитам, аллергическим дерматозам. При попадании пыли на слизистые оболочки рта и носа вызывает заболевания дёсен и зубов. При накоплении в лёгких выводится в течение многих лет после прекращения работы [30].

VI.1.3 Режим личной безопасности

К работе в лаборатории допускаются лица не моложе 18 лет.

Лица, приступающие к работе в лаборатории, проходят личный инструктаж по технике безопасности по технике безопасности. На рабочем месте каждый работающий в лаборатории проходит первичный инструктаж. В дальнейшем необходим повторный инструктаж не реже одного раза в год. Все лабораторные работы проводятся в халатах; по мере необходимости используются резиновые перчатки, защитные очки, маска, респиратор. Имеется аптечка, в которой находятся медикаменты для оказания первой медицинской помощи. Также в каждой лаборатории имеются средства пожаротушения: огнетушитель углекислотный, асбестовое одеяло.

Работы с горячими частями печи проводятся в брезентовых рукавицах [32, 33].

VI.2 Производственная санитария

VI.2.1 Помещения

Площадь лаборатории, в которой выполняется работа, составляет 16 м2, объём лаборатории 56 м3. В помещении находится одновременно не более 2 человек - исполнитель и руководитель. На одного человека приходится 8 м2 площади и 28 м3 объёма при норме 4,5 м2 площади и 18,7 м3 объёма на человека. Таким образом, условия работы не противоречат санитарным нормам.

Выполнение дипломной работы не сопровождается значительным тепло- и влаговыделением, не требует значительных энергозатрат исполнителя [33].

VI.2.2 Организация работы с вредными веществами

· При работе с порошками использовать респираторы типа «Лепесток»;

· при хранении вредных веществ каждая банка или ёмкость должна быть снабжена чёткой надписью;

· перед использованием внимательно прочитать надпись;

· работы проводить в вытяжном шкафу при включённой тяге, должна работать вентиляция;

· остатки вредных и ядовитых веществ собирать в специальную посуду;

· хранение обязательно в толстостенной посуде с притёртой крышкой под тягой.

Правила поведения в аварийной ситуации:

-работу прекратить, сообщить администрации. При просыпании большого количества фторидов использовать противогаз, перчатки и собрать в полиэтиленовый мешок.

-признаки отравления: оцепенение, слабость, слюноотделение, судороги, тошнота. Меры доврачебной помощи: промыть желудок 2% раствором соды, дать пить молоко с яичным белком (2 яичных белка на стакан молока) и взвесь чистого мела.

-средства индивидуальной защиты - респираторы ШБ-1 ("Лепесток"), резиновые перчатки. [32,33].

VI.2.3 Метеорологические условия

В лаборатории поддерживается температура воздуха 18-20С при допустимой температуре по санитарным нормам 17 - 22С, влажность воздуха 55-60% (допустимо до 75%) [34].

VI.2.4 Вентиляция. Освещение

В лаборатории предусмотрена естественная вентиляция. По способу воздухообмена естественная вентиляция является общеобменной и осуществляется через форточку, окно и дверь.

Освещение комбинированное: естественное освещение боковое - окно 2x2,5 м [6]. Для зрительных работ 4 класса точности КЕО = 1,5%.

Искусственное освещение - 16 люминесцентных ламп ЛД мощностью 30Вт. На рабочем месте имеется настольная лампа мощностью 60Вт. Для зрительных работ 4 класса точности Е=300 лк.

Организация освещения соответствует нормам [35].

VI.2.5 Шумы и вибрации

Источники шумов и вибраций отсутствуют. Уровень шума в лаборатории определяется ПС-45 [34].

VI.2.6 Водоснабжение. Канализация. Отопление

Источник воды - городской водопровод.

Лаборатория подключена к городской системе канализации.

Отопление центральное водяное. В зимний период обеспечивается температура в помещении до 20°С [36].

VI.3 Техника безопасности

VI.3.1 Электробезопасность

В соответствии с [37] электробезопасность обеспечивается:

· конструкцией электроустановок;

· техническими способами и средствами защиты;

· организационно-техническими мероприятиями.

Требования по электробезопасности:

· к работе с действующими электроустановками допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие предварительный медосмотр, прошедшие под расписку инструктаж по данной инструкции и аттестацию на группу безопасности.

· категорически запрещается пользоваться открытыми реостатами и плиткам, бытовыми электронагревательными приборами.

· запрещается оставлять без надзора установки под напряжением.

По поражению током помещение относится к категории с повышенной опасностью.

Питание приборов осуществляется переменным током 220В частотой 50Гц. Токовыводящие провода изолированы, заземлены [33].

VI.4 Пожарная профилактика

VI.4.1 Категорирование производственных помещений и зон по пожаро-, взрывоопасности

· помещение относится к категории В по похароопасности; степень огнестойкости здания - II.

· по взрывобезопасности: категория В-Iб [32, 39].

VI.4.2 Защита от статистического электричества

Т.к. все приборы заземлены, то условия для возникновения зарядов статистического электричества отсутствуют.

VI.4.3 Средства пожаротушения

В лаборатории имеются следующие средства защиты и тушения пожаров: асбестовое одеяло, огнетушитель ОУ-4 38.

VII. Экономическая часть

VII.1 Технико-экономическое обоснование работы

Сегодня оптика и микроэлектроника стремительно развиваются, поэтому необходим постоянный поиск новых материалов, обладающих лучшими с точки зрения применения свойствами. Особенно важны материалы с нелинейно оптическими свойствами. Существуют способы получения таких веществ в виде кристаллов путём их выращивания различными методами. Распространён также и способ создания нано- и микрокристаллических фаз в матрице стекла. Такие материалы называются стеклокристаллическими (СКМ) или ситаллами.

Ситаллы - материалы искусственные, их получают кристаллизацией стёкол при термической обработке последних. В 1953 г. Дональд Стукей опубликовал статью о механизированном производстве новых материалов, и уже в 1957 г. он получил ряд патентов на их изготовление. Первое официальное сообщение о создании новой отрасли по превращению стекла в тонкокристаллическую «стеклокерамику» было сделано фирмой «Дау Корнинг» 23 мая 1957 года. Новый материал получил название «пирокерам». В ходе исследования новых материалов во всём мире им давались различные названия. Например, в Англии СКМ называли «пиросил», «слагцерам»; в Польше - «силитал», «квазикерам», «шлаковый квазикерам». В СССР подобные силикатные поликристаллические материалы получили названия «ситаллы» или «шлакоситаллы» [40].

Синтез ситаллов может быть осуществлён с учётом заранее заданных свойств. Благодаря этому ситаллы могут отличаться каким-либо одним главным свойством, например, механической или термической прочностью, химической устойчивостью, износостойкостью, прозрачностью, или обладать комплексом необходимых свойств. Это предопределило широкий спектр использования СКМ. В промышленных масштабах ситаллы стали широко использовать с начала 60-х годов XX века. Сегодня они широко используются в промышленности в качестве облицовочного материала, элементов слоистых панелей в конструкциях промышленных зданий. Незаменим ситалл и в быту. Из него изготавливают жаропрочную хозяйственную посуду - кастрюли, жаровни, сотейники. Стеклокерамику применяют в авиационной промышленности, например, в обтекателях ракет. Очень большое распространение в химическом машиностроении получили стеклокристаллические покрытия, наносимые на поверхность различных металлов для защиты их от коррозии, окисления и износа при обычных и повышенных температурах. На предприятиях химической, коксохимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности используют ситалловые трубы [1,40].

Всё шире области применения ситаллов в электронной промышленности. Их используют в качестве диэлектрической изоляции микросхем и межслойной изоляции печатных схем на керамических и других подложках. Ситаллы на основе горных пород (перлита и доломита) рекомендуются для изготовления высоковольтных стержневых и штыревых электроизоляторов. Стеклокерамические корпуса нашли применение для герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем. Литиево-алюмосиликатная стеклокерамика в сочетании с барийалюмосиликатным стеклом в наши дни служит наполнителем в материалах для пломбирования зубов [41].

Ситаллы разнообразны по составу, поскольку кристаллизации может быть подвержено любое стекло при определённых условиях. Чаще всего для оптических целей получают стеклокристаллический материал, который легируется ионом, обладающим люминесцентными и лазерными свойствами. Также подбирается такой состав исходного стекла, чтобы при кристаллизации образовывалась фаза, ценная с точки зрения фотоники, в частности, обладающая нелинейно оптическим свойствами.

Целью данной дипломной работы является получение прозрачного стеклокристаллического материала в системе ВаО-В2О3-LaF3 с добавлением ErF3 для последующего исследования полученных образцов.

Такой состав выбран неслучайно. Фторидные стёкла - новый материал, привлекающий много внимания. Разработки различных составов таких стёкол ведутся в лабораториях всего мира. Эти материалы представляют интерес для применения в качестве световодов, дисплеев, сцинтилляторов, лазерных окон.

в-борат бария также привлекательный материал для оптики. Широкая область прозрачности указывает на перспективность применения кристаллов низкотемпературного метабората бария в качестве преобразователя частоты лазерного излучения в видимой и УФ областях спектра, как сказано в главе «Обзор литературы» настоящей работы. К тому же, стёкла и ситаллы на основе оксидов бария и бора обладают высокой прочностью, химической и термической стойкостью.

Однако для успешного внедрения указанных материалов на рынок необходимо тщательное изучение всех свойств веществ и испытания в качестве оптических материалов. Следует поэкспериментировать с составами исходной шихты и соотношениями реактивов; использование различных режимов термообработки стёкол также даст возможность эффективнее получать ситаллы в рассматриваемой системе. При успешных разработках фторидного стекла и барий-боратного СКМ с добавлением редкоземельных ионов у потребителей появится новый материал для производства оптических волокон, световодов, сцинтилляторов, преобразователей излучения в широком спектральном диапазоне.

Поскольку работа носит научно-исследовательский характер, сделаем расчёт затрат на НИР [42].

VII.2 Расчёт затрат на выполнение научно-исследовательской работы

VII.2.1 Расчёт материальных затрат

Расчёт затрат на основные материалы работы производится по формуле:

См = ? Рi·Цi ,

где Рi - количество израсходованного i -го материального ресурса;

Цi - планово-заготовительная цена единицы i -го материального ресурса, руб/ед;

i = 1…n.

Расчёты сведены в таблицу 7.1.

Таблица 7.1.

Расчёт материальных затрат.

Итого: См = 118 руб. 10 коп.

VII.2.2 Расчёт затрат на электроэнергию

Затраты на электроэнергию составят:

Сэл/эн = ? Мi·K·Ti·Ц,

где Мi - паспортная мощность электрооборудования;

К - коэффициент использования мощности, К = 0,8-0,9;

Тi - время работы электрооборудования, ч;

Ц - цена 1 кВт·ч, руб/кВт·ч.

Результаты расчёта сведены в таблицу 7.2.

Таблица 7.2.

Расчёт затрат на электроэнегию.

Итого: Сэл/эн = 460 рублей 50 коп.

VII.2.3Расчёт затрат на воду

Вода используется в работе только для хозяйственно-бытовых нужд.

Таблица 7.3.

Расчёт затрат на воду.

Таким образом, Свод = 108 рублей.

VII. 2.4 Затраты на заработную плату и отчисления на социальное страхование

Затраты на заработную плату складываются из зарплаты исполнителя - студента - и его руководителя, а также зарплаты преподаватеоей-консультантов: по охране труда, экономической части и охране окружающей среды.

Общая сумма затрат складывается из основной заработной платы и дополнительной - Оотп - оплаты отпуска, равной 20% от основной суммы.

Заработная плата исполнителя (основная):

ЗПисп = См·n,

где См - месячная стипендия дипломанта, См = 1030 руб;

n = 5 - число месяцев выполнения дипломной работы.