Forskere udvikler metode til at beregne transparente materialers porøsitet

Anvendelse af en ny metode, teknologer og materialeforskere vil være i stand til hurtigt, nøjagtigt og ikke-destruktivt opnå information om mikrostrukturen og funktionaliteten af ​​transparente materialer, herunder enkeltkrystaller, briller, og keramik. Artiklen er blevet publiceret i Journal of Alloys and Compounds .

Forskere fra Far Eastern Federal University (FEFU) brugte en unik matematisk model til at beregne dataene for 3-D-billeder af defekter i mængden af ​​gennemsigtige funktionelle materialer. Det indledende sæt af eksperimentelle data blev opnået via konfokal laser scanningsmikroskopi (CLSM), en speciel type lysoptisk mikroskopi. Løsningen er af stor betydning for teknologer og materialeforskere.

"De funktionelle egenskaber ved gennemsigtige materialer (krystaller, briller, keramik) er i høj grad bestemt af deres resterende porøsitet. Dermed, lasereffektiviteten af ​​keramiske prøver er den samme som for kommercielle enkeltkrystaller og glas, hvis den resterende porekoncentration falder under <10-4 volumenprocent. Det er ekstremt lave værdier. Visualisering af resterende porøsitet med så lave rater kræver særlig teknisk indsats og pålidelige metoder til deres kvantitative evaluering, " sagde Denis Kosyanov, seniorforsker ved Naturvidenskabsskolen, FEFU.

Ifølge medforfatter Alexander Zakharenko, der er flere teknikker til at visualisere den volumetriske struktur af materialer. Blandt dem er røntgencomputertomografi (CT), fokuseret ionstråletomografi (FIP), konfokal laserscanning (CLS), osv. Dog CT-metoden kræver en synkrotronstrålingskilde, og FIP er ødelæggende for objektet under undersøgelsen og kan derfor ikke sondere det samme område to gange.

"Den ikke-destruktive CLSM-metode giver os mulighed for kvalitativt og hurtigt at karakterisere et transparent materiale med konstruktionen af ​​en 3-D model for defektfordelingen i dets volumen. Ved at variere bølgelængden af ​​den påførte laserstråling, vi kan kontrollere objektets mulige scanningsvolumen og størrelsestærsklen for at detektere defekter - fra snesevis af nanometer til flere mikron, " sagde Alexander Zakharenko, seniorforsker ved FEFU.

Medforfatter Alexey Zavjalov sagde, at alle kendte visualiseringsmetoder kun giver en kvalitativ vurdering af materialers mikrostruktur. Et nøglespørgsmål for FEFU-teamet var udviklingen af ​​en metode til at kvantificere porøsiteten af ​​transparente materialer ved hjælp af mikroskopidata.

"Det er nødvendigt at præcisere, at mikrofotografierne kun giver information om et bestemt udsnit af prøven. porestørrelserne ved snittet afspejler ikke deres reelle størrelse. Hvis man bruger en sfærisk tilnærmelse, porestørrelsen på snittet vil kun falde sammen med den faktiske størrelse, hvis snittet passerer nøjagtigt gennem porens centrum. Imidlertid, for langt de fleste porer, snittet vil passere enten over eller under deres centre. Vi tog også højde for, at sektioner af samme størrelse kan dannes til porer med forskellige diametre. Disse vurderinger var grundlaget for vores matematiske model for at genoprette den distribuerede porestørrelse i materialet i henhold til de eksperimentelle data for deres størrelser ved prøvens udskæring, " sagde Alexey Zavjalov, en forsker ved FEFUs akademiske afdeling for nuklear teknologi.

"Ved at anvende CLS-mikroskopi i kombination med den originale metode til eksperimentel databeregning, vi lærte, hvordan man korrekt bestemmer mængden og størrelsen af ​​porøsitet af gennemsigtige funktionelle materialer. I særdeleshed, ved at bruge eksemplet med laserkeramik 1-4 ved procent Nd3 +:YAG med et kendt niveau af funktionalitet, vi sammenlignede vores tilgang med verdens kendte metoder og viste dens maksimale effektivitet. Som et resultat af vores arbejde, det blev muligt at hente karakteristika for objekter med høj tæthed på et nyt niveau, derved forbedre præcisionen af ​​teknologierne til deres skabelse, " sagde Denis Kosyanov.