Структура и теплофизические свойства стеклообразующей системы Na2O – Al2O3 – P2O5

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Одним из применений фосфатных стекол является их использование в качестве матриц для иммобилизации радиоактивных отходов. Для выбора наиболее подходящих для данной цели составов необходим метод, позволяющий изучать как структуру стекла, так и физико-химические свойства. В настоящей работе методом классической молекулярной динамики рассчитан ряд физико-химических свойств стекла Na2O – Al2O3 – P2O5 с массовой долей компонентов 0.25 – 0.25 – 0.5, соответственно, перспективного в качестве основы для иммобилизационных матриц. Модельная система была плавно охлаждена от расплава при Т = 2300 К до комнатной температуры. В процессе охлаждения получены температурные зависимости плотности и теплоемкости. Теплоемкость стекла при комнатной температуре по данным расчета составляет 1.17 Дж/(г*К). Рассчитанные зависимости среднеквадратических смещений ионов от времени, а также функции радиального распределения показывают, что ансамбль при комнатной температуре представляет собой стекло. Проведен детальный анализ локальной структуры, включая статистику локальных окружений [MeOn]. Показано, что стекло содержит тетраэдры [PO4], которые комбинированы с [AlO5] и [AlO6], а также разнообразными натриевыми группировками. Максимумы функций радиального распределения P-O, Al-O и Na-O лежат при 1.50, 2.02 и 2.45 Å, соответственно, что хорошо согласуются с данными других авторов о структуре близких по составу стекол. Кроме того, рассчитанная для комнатной температуры плотность 2.526 г/см3 попадает в интервал типичных плотностей фосфатных стекол и соответствует экспериментально измеренной. Рассчитаны плотности колебательных состояний ионов в стекле. Характерные частоты колебаний алюминия и фосфора в области 450 см-1 и 1300 см-1, соответственно, согласуются с экспериментальными спектрами комбинационного рассеяния света в полуколичественном отношении. Для расчета коэффициента теплопроводности использовали неравновесную молекулярную динамику, моделируя поток тепла в ячейке и регистрируя установившийся температурный градиент. Рассчитанные коэффициенты теплопроводности и температуропроводности равны 1.35 Вт/(м*К) и 4.57*10-7 м2/с, соответственно.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. О. Закирьянов

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: dmitryz.ihte@gmail.com
Россия, Екатеринбург

М. И. Власов

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Email: dmitryz.ihte@gmail.com
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Sengupta P. // J. Hazard. Mater. 2012. 235-236. P. 17-28. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.07.039
  2. Oelkers E.H., Montel J.-M. // Elements. 2008. 4(2). P. 113-116. https://doi.org/10.2113/gselements.4.2.113
  3. Мусатов Н.Д., Кащеев В.А., Тучкова А.И. и др. // Вопр. атом. науки и тех. 2020. № 1 (102). Стр. 66–75.
  4. Власов М.И., Ведерникова Е.Д., Першина С.В. и др. // Стекло и керамика. 2025. 98(1), Стр. 03–16.
  5. Brow R.K. // J. Non-Cryst. Solids. 2000. 263-264. P. 1—28. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(99)00620-1
  6. Zielniok D., Cramer C., Eckert H. // Chem. Mater. 2007. 19. P. 3162–3170. https://doi.org/10.1021/cm0628092
  7. Balyakin I.A., Vlasov M.I., Pershina S.V., Tsymbarenko D.M., Rempel A.A. // Comput. Mater. Sci. 2024. 239. P. 112979. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2024.112979
  8. Muñoz F., Rocherullé J., Ahmed I., Hu L. Springer Handbook of Glass. Springer. 2019. P. 553–594.
  9. Muñoz F., Montagne L., Pascual L., Durán A. // J. Non-Cryst. Solids. 2009. 355. P. 2571–2577. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2009.09.013
  10. Grest G.S., Cohen M.H. // Phys. Rev. B. 1980. 21. P. 4113–4117. https://doi.org/10.1103/physrevb.21.4113
  11. Hoppe U., Walter G., Kranold R., Stachel D. // J. Non-Cryst. Solids. 2000. 263-264. P. 29-47. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(99)00621-3
  12. Liu H., Zhao Z., Zhou Q. et al. // C. r., Géosci. 2022. 354(S1). P. 35-77. https://doi.org/10.5802/crgeos.116
  13. Jahn S. // Rev. Mineral. Geochem. 2022. 87(1). P. 193-227. https://doi.org/10.2138/rmg.2022.87.05
  14. Pedone A // J. Phys. Chem. C. 2009. 113(49). P. 20773-20784. https://doi.org/10.1021/jp9071263
  15. Buckingham R.A. // Proc. R. Soc. Lond. 1938. 168(933). P. 264-283. https://doi.org/10.1098/rspa.1938.0173
  16. Al-Hasni B., Mountjoy G. // J. Non-Cryst. Solids. 2010. 357(15). P. 2775-2779. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2010.10.010
  17. Du J., Cormack A.N. // J. Non-Cryst. Solids. 2004. 349. P. 66-79. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.08.264
  18. Lv X., Xu Z., Li J., Chen J., Liu Q. // J. Mol. Liq. 2016. 221. P. 26-32. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2016.05.064
  19. Zakiryanov D., Kobelev M., Tkachev N. // Fluid Ph. Equilib. 2019. 506. P. 112369. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2019.112369
  20. Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R. et al. // Comput. Phys. Commun. 2021. 271. P. 108171. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108171
  21. Thomas M., Brehm M., Fligg R., Vöhringer P., Kirchner B. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2013. 15(18). P. 6608. https://doi.org/10.1039/c3cp44302g
  22. Chanshetti U.B., Shelke V.A., Jadhav S.M. et al. // FU Phys Chem Technol. 2011. 9(1). P. 29-36. https://doi.org/10.2298/fupct1101029c
  23. Brow R.K. // J. Am. Ceram. Soc. 1993. 76(4). P. 919-928. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1993.tb05315.x
  24. Alhasni B. // J. Non-Cryst. Solids. 2021. 578. P. 121338. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.121338
  25. Shvanskaya L.V., Yakubovich O.V., Belik V.I. // Crystallogr. Rep. 2016. 61. P. 786–795. https://doi.org/10.1134/s1063774516050205
  26. Hoppe U. // J. Non-Cryst. Solids. 1996. 195. P. 138–147. https://doi.org/10.1016/0022-3093(95)00524-2
  27. Schneider J., Oliveira S.L., Nunes L.A.O., Panepucci H. // J. Am. Ceram. Soc. 2003. 86. P. 317–324. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2003.tb00017.x
  28. Yadav A.K., Singh P. // RSC Advances. 2015. 5(83). P. 67583-67609. https://doi.org/10.1039/c5ra13043c
  29. Li W., He D., Li S., Chen W., Hu L. // Ceram. Int. 2014. 40(8). P. 13389-13393. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.05.056
  30. Hudgens J.J., Brow R.K., Tallant, Martin S.W. // J. Non-Cryst. Solids. 1998. 223(1-2). P. 21-31. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(97)00347-5
  31. Boucher S., Piwowarczyk J., Marzke R.F. et al. // J. Europ. Ceram. Soc. 2005. 25. P. 1333–1340. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2005.01.016
  32. Goj P., Handke B., Stoch P. // Sci. Rep. 2022. 12. P. 17495. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22432-5
  33. Freitas A.M., Bell M.J.V., Anjos V. et al. J. Lumin. 2015. 169. P. 353–358. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.08.062

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) Зависимость энергии пары Na-Na от межионного расстояния. Показаны данные, рассчитанные квантовой химией, и подгонка потенциалом Букингема. Суммарный заряд системы +1. (б) Зависимость экспоненциального отталкивания пары Na-Na от расстояния между этими ионами. Показаны зависимости для суммарного заряда +1 и +2. (в) Функция радиального распределения Na-Na, полученная в дальнейшем для стекла.

Скачать (77KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость координационных чисел пар «катион-кислород» от температуры при охлаждении ансамбля.

Скачать (91KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Температурные зависимости расчетных значений энтальпии (а), теплоемкости (б) и плотности (в) для стекла состава Na2O –Al2O3 – P2O5 с массовой долей компонентов 0.25 – 0.25 – 0.5.

Скачать (98KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Функции радиального распределения при Т = 300 К для пар атомов «катион-анион» для стекла состава Na2O – Al2O3 – P2O5 с массовой долей компонентов 0.25 – 0.25 – 0.5.

Скачать (72KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость среднеквадратического смещения (СКС) ионов от температуры и типа иона в течение 500 пс моделирования.

Скачать (109KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Плотности колебательных состояний: (а) фосфора и кислорода, (б) алюминия и кислорода, (в) натрия и кислорода при Т = 300 К для стекла состава Na2O – Al2O3 – P2O5 с массовой долей компонентов 0.25 – 0.25 – 0.5.

Скачать (92KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость разности температур областей нагрева и охлаждения от времени моделирования. Пунктирной линией показано среднее значение ΔТ и интервал усреднения.

Скачать (72KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025