При использовании материалов в условиях переменных температур требуется контроль и корректный учет теплового расширения материалов во многих современных промышленных технологиях, поскольку даже небольшое изменение (10−5 K−1) материала или изделия значительно ухудшает характеристики высокоточных устройств и изделий. Чтобы удовлетворить все возрастающие требования к контролю и учету термического расширения, необходимые в связи с бурным развитием промышленных технологий, в последнее десятилетие разработаны разнообразные материалы с объемным отрицательным тепловым расширением, и предложены подходы к учету термического расширения (Takenaka, 2018). Научную и практическую значимость материалов с низким термическим расширением сложно переоценить – они применяются повсеместно, если их использование предполагает изменение температуры в каком-либо интервале. Не меньшую значимость приобретает разработка новых подходов и механизмов термического расширения, возможности его контроля и учета.
В ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты:
1.Развитие теории термического расширения и получение новых экспериментальных данных.
1.1.Механизм сдвиговых деформаций, разработанный нами для моноклинных кристаллов будет адоптирован также применительно для всех косоугольных кристаллов. Данный подход был разработан руководителем проекта (Филатов, 1982) и в последующем развивался в нашей научной группе (Филатов, 1990; Filatov et al., 2010; Shablinskii et al., 2021). Как показывают статистические данные по термическому расширению (Филатов, 2019), в триклинных кристаллах хотя бы один из параметров элементарной ячейки имеет отрицательное термическое расширение, потому изделия из таких материалов могут оказаться перспективными материалами, проявляющими невысокое термическое расширение.
1.2.На основании результатов изучения термического расширения сульфатов – синтетических аналогов милошевичита Al2(SO4)3 и микасаита Fe2(SO4)3, и двух синтетических соединений Y2(SO4)3, Sc2(SO4)3, структуры которых относятся к трем разным структурным типам, хотя построены из тех же структурных единиц (модулей), что и известный материал Zr(WO4)2, обладающий объемным отрицательным термическим расширением, будут выявлены общие черты и различие в термическом расширении перечисленных сульфатов с вольфраматом Zr(WO4)2, на этой основе будет предложен структурный механизм термического расширения сульфатов.
1.3.В результате исследования термической эволюции структур боратов RbB3O5 и боросиликатов KBSi2O6 в процессе фазовых переходов 1 и 2 рода будет структурно охарактеризован механизм фазовых превращений и предложена структурная интерпретация природы анизотропии термического расширения. Авторами проекта ранее были изучены фазовые переходы и термическое расширение полиморфов бората RbB3O5 (изосимметрийный переход 1 рода со скачком величины двух параметров элементарной ячейки – один в полтора раза резко возрастает, другой уменьшается – с сохранением топологии борокислородного каркаса) и боролейцита KBSi2O6 (серия полиморфных обратимых переходов I-43d-кубический – P21/a-моноклинный – Ia-3d-кубический, близких ко второму роду, тетраэдрический каркас сохраняется). Оба полиморфа RbB3O5 расширяются резко анизотропно, вплоть до отрицательного расширения по отдельным направлениям, при этаком переходе должны резко смещаться атомы Rb. Это будет проверяться по результатам исследования структурной эволюции боратов RbB3O5 в сопоставлении с боросиликатами KBSi2O6 в процессе фазовых переходов 1 и 2 рода.
2. Разработка термически стабильных фотолюминофоров
2.1. Будут разработаны красноизлучающие фотолюминофоры Y2(SO4)3:Eu3+ и Sc2(SO4)3:Eu3+, которые как ожидается, будут фотолюминофорами нового поколения, так как они могут проявлять отрицательное термическое расширение, что будет приводит к нулевому термическому тушению фотолюминесценции (см. подробнее п. Научная новизна).
2.2. Создание термически стабильного красноизлучающего фотолюминофора BaBi2B2O7:Eu3+, Sm3+ для чипов светодиодов белого свечения. Соединения данного семейства могут проявлять отрицательное термическое расширение по двух направлениям (Volkov et al., 2020), что может также компенсировать концентрационное тушение.
2.3. Будет разработан люминофор на основе Ia-3d-кубического борополлуцита Cs0.9K0.1BSi2O6:REE с близким к нулевому термическим расширением, которое, как ожидается, может привести к нулевому термическому тушению фотолюминесценции. В случае успеха будет осуществлен синтез люминофоров близкого состава, но I-43d-кубического полиморфа.
2.4. В отличие от соединений с низким термическим расширением будут также разработаны 1-2 фотолюминофора с резко анизотропным расширением вплоть до отрицательного по отдельным направлениям на основе боратов для проверки возможной компенсации термического расширения и исследования ее влияния на термическое тушение люминесценции. Предполагаемые бораты, расширение которых резко анизотропно: СaBi2B2O7: REE3+, Ba6Y5B9O27:Eu3+: REE, поскольку последний борат, открытый авторами проекта, уже допирован ионами Eu3+, в качестве иона активатора будет выбран другой редкоземельный элемент и позже осуществлено содопирование.
3. По результатам исследования соединений структурного типа гумита (Mg,Fe2+)7(SiO4)3F2 и Mn2+7(SiO4)3(OH) в широком интервале температур планируется обнаружить, по результатам вычисления главных значений тензора термического расширения предполагается обнаружение отрицательных линейных и / или объемных значений КТР, резкой анизотропии его термического расширения, т. е. изменения линейных и объемных размеров соединения. Особое внимание будет уделено влиянию особенностей кристаллического строения на термическое расширение соединения.
4. По результатам проекта за три года планируется опубликовать не менее 20 статей в рецензируемых журналах. Ожидается подача заявок на патенты. Результаты будут представлены в докладах на конференциях различного уровня. Такой план публикационной активности соответствует показателям основных исполнителей и руководителя проекта за последние 5 лет. Руководителем и исполнителями за пять лет опубликовано статьи в журналах, рецензируемых в Web of Science и Scopus, из которых в журналах первого и второго квартилей.
Поставленные задачи представляются возможными к выполнению, поскольку у коллектива авторов проекта имеется достаточный задел по заявленной тематике, а исследования будут проводиться с учетом многолетних наработок ведущей научной школы по высокотемпературной кристаллохимии, которую возглавляет руководитель проекта. Эксперименты будут выполнены на современном сертифицированном оборудовании. Данные исследования будут являться полностью оригинальными и будут представлять значительный интерес для мировой научной общественности, новизна результатов работы будет подтверждена публикациями в ведущих тематических научных изданиях, индексируемых Web of Science и Scopus, в журналах Q1 и Q2.
