Автореферат диссертации (Теплопроводность твердотельных оптических материалов на основе неорганических оксидов и фторидов)

УДК 538.953На правах рукописиПопов Павел АркадьевичТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХОКСИДОВ И ФТОРИДОВСпециальность 01.04.07 – Физика конденсированного состоянияАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2015Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Брянский государственныйуниверситет имени академика И.Г. Петровского»Официальные оппоненты: Рябочкина Полина Анатольевна,доктор физико-математических наук, доцент,ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательскийМордовский государственный университетимени Н.П.

Огарева»,профессор кафедры общей физики институтафизики и химии;Балбашов Анатолий Михайлович,доктор технических наук, профессор,ФГБОУ ВПО "Национальныйисследовательский университет "МЭИ",главный научный сотрудник кафедры физикиэлектротехнических материалов и компонентовинститута электротехники;Боритко Сергей Викторович,доктор физико-математических наук, профессор,ФГБУН Научно-технологический центруникального приборостроения РАН,заведующий лабораторией лазерной техникиотдела акустооптических информационных систем.Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институт кристаллографииим. А.В. Шубникова Российской академии наук.Защита диссертации состоится « 20 » мая 2015 г.

в 14 часов 30 минут назаседании диссертационного совета Д 212.141.17 на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» по адресу:248600, г. Калуга, ул. Баженова, д. 2, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Бауманапо адресу: г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5 и на сайтах www.bmstu.ru,http://bmstu-kaluga.ru.Автореферат разослан «»Ученый секретарьдиссертационного советакандидат технических наук, доцент22015 г.Лоскутов Сергей АлександровичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВысокая теплопроводность твердотельного материала является одним изважнейших условий функционирования активного лазерного элемента.

Для получения необходимого комплекса генерационных и технологических характеристик лазерных кристаллов применяется легирование их ионами различныххимических элементов. Однако легирование кристалла приводит обычно кснижению теплопроводности, особенно заметному при низких температурах.Эффект снижения зависит от вида легирующих ионов, степени их сходства сионами замещаемыми. В случае гетеровалентного ионного замещения сильноеснижение теплопроводности является ожидаемым, хотя и трудно поддающимсяколичественной оценке. Причина этих трудностей связана с объективной сложностью процессов теплопереноса в твердых телах, ограниченностью существующих теорий теплопроводности, а также сложным характером структурной перестройки кристалла при кластеризации примеси.В рамках фононной модели теплопереноса величина теплопроводностидиэлектрических монокристаллов определяется произведением теплоемкостиединицы объема, средней скорости звука и средней длины свободного пробегафононов.

Если первые две величины в достаточной мере поддаются априорнойоценке, то длина пробега фононов весьма сильно и сложным образом зависитот структурных особенностей кристалла. Это делает величину теплопроводности нового материала трудно прогнозируемой. Поэтому экспериментальныйметод определения теплопроводности является, безусловно, предпочтительным.

С другой стороны, чувствительность теплопроводности, особенно в области низких температур и в случае малодефектных кристаллов, к проявлениюразличного рода механизмов фононного рассеяния позволяет применять методику экспериментального определения температурной зависимости теплопроводности в качестве весьма полезного инструментария для выявления структурных особенностей кристаллических материалов.Кроме того, экспериментальные результаты исследования теплопроводности в широких температурных интервалах дают материал для развития покавесьма несовершенных теоретических представлений о процессах теплопереноса в твердых телах.В значительной степени актуальность темы определяется также активностью технологических разработок и применения твердотельных материалов наоснове фторидов, ванадатов, гранатов, кристаллов с нелинейными оптическимихарактеристиками и других исследуемых в настоящей работе кристаллов в качестве функциональных и конструкционных оптических материалов.Целью работы являлось выявление зависимостей коэффициента теплопроводности твердотельных материалов от ряда параметров – температуры,химического состава, структуры и ее особенностей, термической обработки, –посредством получения и анализа экспериментальных данных.Основными объектами исследования были монокристаллические, керамические и стеклообразные материалы фотоники, относящиеся в основном к оксидам и фторидам.

Кристаллические материалы с различной симметрией решеткибыли представлены от кристаллов с минимальным количеством неконтролируемых примесей (матриц) до высококонцентрированных многокомпонентных1твердых растворов. Среди керамических материалов основное внимание уделено наноструктурированным оптически прозрачным керамикам.Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели: провести систематические измерения теплопроводности различных оптических материалов – кристаллов, стекол, керамики, принадлежащим к различным химическим классам веществ; провести исследования влияния изо- и гетеровалентного изоморфизмана теплопроводность, в т. ч. исследовать влияние таких факторов, как концентрация, размер и масса допантов; исследовать свойства обычных и лазерных керамик; провести исследования дополнительных характеристик материалов(теплоемкость, термическое расширение, плотность и т. д.); провести анализ полученных данных с помощью существующих теоретических представлений и структурных данных, выяснить влияние различных факторовна теплопроводность и сформулировать закономерности получения оптических материалов с высокими и низкими значениями коэффициента теплопроводности.Научная новизна работы1.

В большей части экспериментальные результаты являются оригинальными. Впервые измерены характеристики целого ряда твердотельных материалов, представленных как легированными составами, так и матричными (фторидкадмия CdF2, кристаллы семейств КY3F10, Nа0.4Y0.6F2.2, LiRF4, германоэвлитинBi4Ge3O12, α- и β-модиикации бората бария BaB2O4, александрит Al2BeO4:Cr,тетраборат стронция SrB4O7, пирит FeS2 и др.).2. Существенно уточнены характеристики многих важных материалов, вт. ч. получены данные, позволяющие по-новому оценить известные материалы.3.

Впервые установлены основополагающие закономерности влияния гетеровалентного изоморфизма на теплопроводность, в т. ч. переход от кристаллического к стеклообразному поведению теплопроводности при увеличении концентрации гетеровалентных твердых растворов.4. Впервые систематически исследованы концентрационные зависимоститеплопроводности ряда твердых растворов различной природы.5. Установлен факт повышения теплопроводности при упорядочении разупорядоченных фаз.6.

Впервые экспериментально исследована теплопроводность наноструктурированной фторидной оптической керамики.Практическая ценность работы1. Получен большой объем справочных данных, необходимых при конструировании оптических систем.2. Разработаны способы управления теплопроводностью путем изоморфных замещений.3. Определены принципы подбора лазерных материалов с высокой теплопроводностью для конструирования лазерных систем большой мощности.4. Осуществлена переоценка многих материалов.

Пример – установлениефакта высокой теплопроводности кристаллов ортованадатов РЗЭ, что позволило по-новому рассматривать их как перспективные лазерные материалы.5. Близкие к рекордным высокие величины теплопроводности обнаруженыу кристаллов александрита.26. Перспективность оптической фторидной керамики подтверждена практической идентичностью ее и монокристаллических аналогов теплопроводности.7. Обнаружены материалы с исключительной характеристикой – теплопроводностью, постоянной в широких интервалах температур.Достоверность результатов диссертационной работы определяется тщательной проработкой вопросов, связанных с выбором и характеризацией объектов исследования, градуировкой и поверкой измерительной аппаратуры, согласованностью результатов, полученных на различных установках с помощьюразличных методов исследования (статическая низкотемпературная и динамическая высокотемпературная теплопроводность, рентгеновские и дилатометрические измерения КТР и др.), а также воспроизводимостью экспериментальныхданных и их соответствием имеющимся в литературе.

Ряд результатов был подтвержден независимыми отечественными и зарубежными исследованиями.Основные положения, выносимые на защиту:1. Совокупность научных результатов, полученных при систематическомисследовании теплопроводности.2. Характеристики чистых матриц различной структуры.3. Закономерности изменения теплопроводности при изовалентных и гетеровалентных замещениях, в т. ч.

переход к стеклоообразному поведению теплопроводности в концентрированных гетеровалентных твердых растворах.4. Концентрационные зависимости теплопроводности твердых растворов.5. Повышение теплопроводности при упорядочении твердых растворов.6. Принципы подбора лазерных материалов с высокими значениями коэффициента теплопроводности.7. Принципы подбора низкотемпературных кристаллических теплоизолирующих материалов.Представленные в диссертации исследования и разработки выполнены врамках проекта РНП 2.1.1.7071 «Экспериментальное и теоретическое исследование физико-химических свойств тугоплавких боридов в широком интерваленизких температур» по АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы»; проектов РНП 2.1.1/422 и РНП 2.1.1/10747 «Особенности электронной,фононной, магнитной подсистем редкоземельных соединений в температурнойобласти 2-300 К»; гос.

контракта 02.513.12.3029 «Нанокерамика на основе соединений с высоким светопропусканием в среднем ИК-диапазоне для когерентных и некогерентных источников излучения» и при поддержке грантаРФФИ-2008-08-03-12080-офи «Оптические наноструктурированные материалына основе фторидов щелочноземельных и редкоземельных элементов»; тем.плана «Исследование теплопроводности наноструктурированных оптическихматериалов»; Гос. задания «Тепловые свойства новых термоэлектрических, полупроводниковых и оптических материалов»; проекта «Синтез и физическиесвойства термоэлектрических боридов» по ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» 2009 – 2013 гг.).Апробация работы.