Spinodal decomposition in the SiO2–TiO2 system and hierarchically organized nanostructures formation
Abstract
Phase formation in the liquid phase separation region of the SiO2-TiO2 system was experimentally studied. A thermodynamically optimized phase diagram of the SiO2-TiO2 system has been constructed. The curve of phase spinodal decomposition was calculated. It is shown that the phase decomposition in the liquid phase region occurs through a spinodal mechanism at the melt rapid cooling. It has been experimentally demonstrated that this phenomenon leads to the formation of hierarchically organized nanostructures.
About the Authors
S. A. Kirillova
Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"
Russian Federation
Russian Federation
Svetlana Kirillova –Assistant,
St. Petersburg.
V. I. Almjashev
Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"
Russian Federation
Russian Federation
Vyacheslav Almjashev – Assistant,
St. Petersburg.
V. V. Gusarov
Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"; Ioffe Physical Technical Institute
Russian Federation
Russian Federation
Victor Gusarov – Doctor of Science, Professor, Corresponding member of RAS, Head of Department,
St. Petersburg.
References
1. Третьяков Ю.Д. Процессы самоорганизации в химии материалов // Успехи химии, 2003, 72(8), 731-763.
2. Gleiter H. Nanostructured materials: Basic concepts and microstructure // Acta Mater., 2000, 48(1), 1-29.
3. Ozin G.A., Arsenault A.C., Cademartiri L. Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials, 2nd ed. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2009, 820 p.
4. Иванов В.В., Таланов В.М. Модулярное строение наноструктур: информационные коды и комбинаторный дизайн // Наносистемы: физика, химия, математика, 2010, 1(1), 72-107.
5. Галахов Ф.Я., Варшал Б.Г. О причинах ликвации в простых силикатных системах // Труды Первого всесоюзного симпозиума «Ликвационные явления в стеклах», Ленинград, 16-18 апреля 1968, Л.: Наука, 1969, 6-11.
6. Порай-Кошиц Е.А., Аверьянов В.И. О явлениях первичного и вторичного расслаивания в стеклах // Труды Первого всесоюзного симпозиума «Ликвационные явления в стеклах», Ленинград, 16-18 апреля 1968, Л.: Наука, 1969, 26-30.
7. Галахов Ф.Я. Микроликвация и ее изображение на диаграмме состояния двойной системы // Изв. АН СССР. Сер. хим., 1964, (8), 1377-1383.
8. Андреев Н.С., Мазурин О.В., Порай-Кошиц Е.А., Рослова Г.П., Филиппович В.Н. Явления ликвации в стеклах / Под ред. М.М. Шульца, Л.: Наука, 1974, 217 с.
9. Мриглод И.М., Пацаган О.В., Мельник Р.С. Процессы метастабильной ликвации в многокомпонентных стеклообразующих системах: обзор экспериментальных и теоретических результатов; фазовые диаграммы с метастабильной ликвацией // Препринт ИФКС НАН Украины, ICMP-03-15U, 2003, (На укр.).
10. Kündig A.A., Ohnuma M., Ping D.H., Ohkubo T., Hono K. In situ formed two-phase metallic glass with surface fractal microstructure // Acta Mater., 2004, 52(8), 2441-2448.
11. Chang H.J., Yook W., Park E.S., Kyeong J.S., Kim D.H. Synthesis of metallic glass composites using phase separation phenomena // Acta Mater., 2010, 58(7), 2483-2491.
12. Делицын Л.М. Ликвационные явления в магматических системах. М.: ГЕОС, 2010, 222 с.
13. Blinova I.V., Gusarov V.V., Popov I.Yu. “Almost quasistationary” approximation for the problem of solidification front stability // Z. angew. Math. Phys., 2009, 60(1), 178-188.
14. Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010, 456 с.
15. Трусов Л.А., Зайцев Д.Д., Казин П.Е., Третьяков Ю.Д. Получение магнитной стеклокерамики в системе SrO–Fe2O3–Al2O3–B2O3 // Неорганические материалы, 2009, 45(6), 749-753.
16. Kazin P.E., Trusov L.A., Zaitsev D.D., Tret’yakov Yu.D. Glass Crystallization Synthesis of Ultrafine Hexagonal M-Type Ferrites: Particle Morphology and Magnetic Characteristics // Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2009, 54(14), 2081-2090.
17. Kazin P.E., Trusov L.A., Kushnir S.E., Yaroshinskaya N.V., Petrov N.A., Jansen M. Hexaferrite Submicron and Nanoparticles with Variable Size and Shape via Glass-Ceramic Route // Journal of Physics: Conference Series, 2010, 200, 072048.
18. Ходаковская Р.Я. Химия титансодержащих стекол и ситаллов. М.: Химия, 1978, 288 с.
19. von Olleschik-Elbheim L., el Baya A., Schmidt M.A., Zhu D.-M., Kosugi T. Thermal conductivity of GeO2–SiO2 and TiO2–SiO2 mixed glasses // J. Non-Crystalline Solids, 1996, 202(1), 88-92.
20. You H., Nogami M. Persistent spectral hole burning of Eu3+ ions in TiO2–SiO2 glass prepared by sol-gel method // Journal of Alloys and Compounds, 2006, 408-412, 796-799.
21. Лебедева Г.А. Формирование ликвационной структуры в титансодержащих алюмосиликатных стеклах // Стекло и керамика, 2008, (9), 25-28.
22. Ермилов П.И., Индейкин Е.А., Толмачев И.А. Пигменты и пигментированные лакокрасочные материалы. Л.: Химия, 1987, 200 с.
23. Воронцов А.В., Козлов Д.В., Смирниотис П.Г., Пармон В.Н. Фотокаталитическое окисление на TiO2. I. Фотокатализаторы для жидкофазных и газофазных процессов и фотокаталитическая деструкция имитантов боевых отравляющих веществ в жидкой фазе // Кинетика и катализ, 2005, 46(2), 203-218.
24. Rieke R. Melting Influence of Titanic Acid on Silica, Alumina, and Kaolin // Sprechsaal, 1908, 41, 405.
25. Umezu S., Kakiuchi F. Investigations on Iron Blast. Furnace Slags Containing Titanium // Nippon Kogyo Kwaishi, 1930, 46, 866-877.
26. Bunting E.N. Phase equilibria in the systems. TiO2, TiO2–SiO2, and TiO2–Al2O3 // J. Res. Nat. Bur. Stand., 1933, 11(5) 719-725.
27. Богацкий Д.П. // Металлург, 1936, (1), 59-67.
28. Ricker R.W., Hummel F.A. Reactions in the System TiO2–SiO2; Revision of the Phase Diagram // J. Amer. Ceram. Soc., 1951, 34(9), 271-279.
29. DeVries R.C., Roy R., Osborn E.F. The System TiO2–SiO2 // Trans. Brit. Ceram. Soc., 1954, 53(9), 525-540.
30. Kaufman L. Calculation of multicomponent ceramic phase diagrams // Physica B+C (Amsterdam), 1988, 150(1-2), 99-114.
31. Kubaschewski O., Alcock C.B. International Series on Materials Science and Technology, V. 24 (Metallurgical Thermochemistry), 5th ed. Oxford, United Kingdom: Pergamon Press/Elsevier Science Ltd., 1979, 449 p.
32. DeCapitani C., Kirschen M. A generalized multicomponent excess function with application to immiscible liquids in the system CaO–SiO2–TiO2 // Geochim. et Cosmochim. Acta, 1998, 62(23/24), 3753-3763.
33. Kirschen M., DeCapitani C., Millot F., Rifflet J.-C., Coutures J.-P. Immiscible silicate liquids in the system SiO2–TiO2–Al2O3 // Eur. J. Mineral., 1999, (11) 427-440.
34. McTaggart G.D., Andrews A.I. Immiscibility area in the system TiO2–ZrO2–SiO2 // J. Amer. Ceram. Soc., 1957, 40(5), 167-170.
35. Massazza F., Sirchia E. Il sistema MgO–SiO2–TiO2 // La Chimica e l’industria, 1958, XL(5), 376-380.
36. Галахов Ф.Я., Арешев М.П., Вавилонова В.Т., Аверьянов В.И. Определение границ метастабильной ликвации в кремнеземистой части системы TiO2–SiO2 // Известия АН СССР. Неорганические материалы, 1974, 10(1), 179-180.
37. Камаев Д.Н. Высокотемпературные фазовые равновесия в системах TiO2–SiO2, ZrO2–Al2O3, ZrO2–SiO2, FeO–ZrO2–SiO2, Fe–Zr–Si–O: Дис. ... канд. хим. наук, Челябинск, 2005, 168 с.
38. Saunders N., Miodownik A.P. CALPHAD (calculation of phase diagrams): a comprehensive guide. Pergamon materials series: V. 1, 1998, 479 p.
39. Михайлов Г.Г., Новолоцкий Д.Я. Термодинамика раскисления стали. М.: Металлургия, 1993, 114 с.
40. Галахов Ф.Я. Высокотемпературная микропечь для изучения гетерогенных равновесий в системах тугоплавких оксидов. – В кн.: Современные методы исследования силикатов и строительных материалов. М., 1961, С. 178-182.
41. Мезенцева Л.П., Попова В.Ф., Альмяшев В.И., Ломанова Н.А., Уголков В.Л., Бешта С.В., Хабенский В.Б., Гусаров В.В. Фазовые и химические превращения в системе SiO2–Fe2O3(Fe3O4) при различных парциальных давлениях кислорода // Журнал неорганической химии, 2006, 51(1), 126-133.
42. Gurvich L.V., Iorish V.S., Chekhovskoi D.V., Yungman V.S. IVTANTHERMO – A Thermodynamical Database and Software System for the Personal Computer / User’s Guide. CRC Press, Inc., Boca Raton, 1993.
43. Hlaváč J. Melting temperatures of refractory oxides: Part I // Pure & Appl. Chem., 1982, 54(3), 681-688.
44. Chase, Jr., M. W. NIST-JANAF Thermochemical Tables (Journal of Physical and Chemical Reference Data Monographs), 4th ed., Monograph No. 9. American Inst. of Physics, 1998-2000, 1952 p.
45. Guilbault G.G. Nomenclature for thermal analysis – II & III // Pure & Appl. Chem., 1980, 52, 2385-2391.
46. Almjashev V.I., Gusarov V.V., Khabensky V.B., Bechta S.V., Granovsky V.S. // OECD/NEA MASCA2 Seminar 2007, Cadarache, France, 11-12 October 2007, 2007, paper 3.3.
Review
For citations:
Kirillova S.A., Almjashev V.I., Gusarov V.V. Spinodal decomposition in the SiO2–TiO2 system and hierarchically organized nanostructures formation. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2012;3(2):100-115. (In Russ.)
Views:
7
Email this article 