Холькин А.И., Патрушева Т.Н. Экстракционно-пиролитический метод.
Получение функциональных оксидных материалов

Оглавление

Предисловие

Бурное развитие техники (электроника, ядерная, космическая, авиационная техника) во второй половине XX века и в начале XXI века непосредственно связано с созданием, исследованием, разработкой рациональной технологии получения и определения областей применения функциональных материалов, часто обладающими уникальными свойствами. Результаты исследований в этой области в настоящее время представлены тысячами опубликованных статей и патентов, вошли в большое число монографий. Исследования по созданию новых материалов и испытания их физико-химических свойств развиваются не только путем увеличения их количества, но и в части углубленного изучения взаимосвязи свойств материалов от их состава, структуры и технологии получения. Особое внимание уделяется совершенствованию и разработке новых технологических процессов получения материалов, что связано с современными требованиями – высокими физическими параметрами, достигаемыми увеличением однородности химического, фазового и морфологического состава, в ряде случаев получение тонкодисперсных продуктов, универсальность, экономическая эффективность методов, нетоксичность и экологическая безопасность исходных веществ и полученных материалов. Одним из путей решения проблемы получения функциональных материалов является экстракционно-пиролитический метод, описание которого дано в настоящей монографии.

Монография состоит из двух частей. В первой части дано краткое изложение и анализ методов получения объемных и пленочных функциональных оксидных материалов, широко используемых в настоящее время. Вторая часть монографии посвящена изложению результатов многолетних исследований, разработанного авторами экстракционно-пиролитического метода получения оксидных материалов. Приведено обоснование метода, а также результаты изучения отдельных стадий процессов получения конкретных функциональных материалов, их состава, структуры и морфологии, а также физических параметров.

Авторы выражают благодарность сотрудникам Института химии и химической технологии СО РАН члену-корреспонденту РАН Г.Л.Пашкову, к.х.н. И.Ю.Флейтлиху, д.х.н. Ю.Л.Михлину, М.В.Задонской, А.И.Черешкевичу, Л.В.Гуляевой, М.Я.Никулину, М.А.Моисеевой, Института физики СО РАН к.ф.-м.н. К.П.Поляковой, Сибирского государственного технологического университета к.т.н. Г.И.Суховой, к.т.н. Е.А.Чудинову, аспирантам и студентам Красноярского государственного технического университета за участие в проведении экспериментов по получению функциональных оксидных материалов различного назначения и исследованию их физико-химических свойств, а также ведущему программисту ИОНХ РАН И.М.Просиной, д.х.н. В.В.Беловой и к.х.н. А.А.Вошкину за помощь в оформлении рукописи.

Введение

Разработка новых методов синтеза современных материалов с заданными функциональными свойствами является одним из приоритетных направлений развития науки и техники.

Существенными условиями, определяющими высокие показатели функциональных материалов и изделий на их основе, являются достижение однородности химического, фазового состава и однородного морфологического строения синтезированных продуктов. В настоящее время большое внимание уделяется получению мелкодисперсных, особенно наноразмерных материалов и наноструктурированных пленок, которые обеспечивают не только высокие электрофизические параметры, но и способствуют уменьшению размеров элементов и увеличению быстродействия схем.

На функциональные характеристики поликристаллических материалов большое влияние оказывает наличие примесей, которые концентрируются на границах зерен. В большинстве случаев используемые для синтеза высокочистые реактивы имеют высокую стоимость или требуется специальная очистка применяемых соединений. Важным требованием, предъявляемым к технологическим процессам получения функциональных материалов, являются использование простого оборудования и недорогих исходных веществ и реагентов.

Сложнооксидные материалы функциональной электроники, в частности магнитные, сегнетоэлектрические материалы, высокотемпературные сверхпроводники получают твердофазным синтезом из исходных оксидов и карбонатов металлов с использованием многократного измельчения и спекания при высоких температурах синтеза. Применяемые растворные методы (золь-гель, криохимический, гидротермальный и другие) не универсальны и в ряде случаев требуют сложного оборудования и высокой стоимости реактивов.

Таким образом, проблема разработки новых, эффективных, малозатратных и универсальных методов, обеспечивающих получение функциональных материалов с высокими физическими параметрами является весьма актуальной.

Одним из путей решения проблемы создания функциональных материалов является использование экстракционно-пиролитического метода получения однородных сложнооксидных материалов в виде порошков и тонких пленок из растворов экстрактов, которые смешиваются в требуемых соотношениях и эти соотношения сохраняются при термической деструкции.

Обладая рядом существенных преимуществ перед другими методами, экстракция получила широкое применение не только в аналитической химии, но и в атомной и редкометальной промышленности, в гидрометаллургии цветных и благородных металлов, технологии неорганических и органических веществ, радиохимическом производстве [1–5].

Необходимо отметить явную тенденцию современных, в частности, гидрометаллургических предприятий производить в качестве конечных наиболее ценные продукты и материалы. По классической гидрометаллургической технологии растворы электролитов после очистки подвергаются электролизу, а катодный металл снова растворяется обычно на другом производстве, и из раствора после очистки выделяются соли для получения требуемых материалов. Очевидно, что при наличии эффективных процессов разделения и очистки, таких как экстракционные, очищенный электролит в полном объеме или частично может быть направлен на получение солей и материалов без выделения металла и его растворения. Представляет также интерес получение материалов непосредственно из экстрактов.

Разработанный экстракционно-пиролитический метод предусматривает использование экстракционных систем для получения неорганических веществ и материалов непосредственно из органических растворов, минуя стадию реэкстракции металлов в водную фазу и последующего синтеза.

Экстракционно-пиролитический метод был использован в настоящей работе для получения высокотемпературных сверхпроводников, магнитных материалов, сегнетоэлектриков различного состава, активных материалов для литиевых источников тока, твердых электролитов, диоксида олова для газовых сенсоров. В случае сенсорных и магнитных материалов получены нанокристаллические пленки на различных подложках.

Основными достоинствами экстракционно-пиролитического метода являются возможность получения однородных промежуточных и конечных продуктов, простота аппаратурного оформления, универсальность метода, как для получения продуктов разнообразного состава, так и различных материалов – керамики, высокодисперсных порошков, структурированных пленок с различными электрофизическими свойствами.

Об авторах

Родился 8 марта 1937 года в п. Сита Хабаровского края. Специалист в области неорганической химии, физикохимии и технологии неорганических материалов, гидрометаллургии. Член-корреспондент по Отделению физикохимии и технологии неорганических материалов (специализация "неорганическая химия") с 1987 г.

Окончил Ленинградский политехнический институт (1960). Руководитель группы, зав. лабораторией института "Сибцветметниипроект", (1960–1962). Аспирант, младший и старший научный сотрудник Института неорганической химии СО АН СССР (1962–1978). Доктор химических наук (1984). Зав. лабораторией, зам. директора, директор Института химии и химической технологии СО АН СССР (1978–1990). Зав. кафедрой неорганической химии Красноярского государственного университета (1982–1989). Главный научный сотрудник, зав. лабораторией (1990–1994), зам. директора (1994–1999), зав. лабораторией (с 1999 г. по настоящее время) Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН.

Область научных интересов: проблемы экстракционной химии и технологии, исследования многокомпонентных систем "жидкость–жидкость" и других гетерогенных систем, создание экстракционных и комбинированных методов синтеза неорганических соединений и материалов, разработка научных основ гидрометаллургических процессов извлечения и разделения веществ при переработке минерального и техногенного сырья.

За разработку и внедрение экстракционных процессов, обеспечивающих повышение комплексности использования полиметаллического сырья, и создание на Усть-Каменогорском свинцово-цинковом комбинате производства редких металлов удостоен в составе авторского коллектива Государственной премии СССР (1985).

Председатель Научного совета РАН по научным основам химической технологии. Председатель комиссии по экстракции Научного совета РАН по неорганической химии.

Главный редактор журнала "Химическая технология".

Награжден орденом Почета (1997).

Тамара Николаевна Патрушева (Адрианова)

Родилась 27 июля 1955 г. в с. Матур, Республика Хакасия. Специалист в области технологии получения неорганических материалов, в том числе порошков, керамики, пленок и покрытий.

Окончила Сибирский технологический институт (1978). Младший научный сотрудник Красноярского политехнического института (1980–1983), аспирант Ленинградской лесотехнической академии (1983–1986), старший научный сотрудник Красноярского государственного технического университета (с 1987 г. по настоящее время), старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН (с 1987 г. по настоящее время). Доктор технических наук (2006).

Область научных интересов: технология порошков и тонких пленок неорганических материалов. Разработка научных основ экстракционно-пиролитического метода получения высокотемпературных сверхпроводников, сегнетоэлектриков, магнитных и магнитооптических пленок, активных материалов для литиевых источников тока, твердых электролитов, пленок для газовых сенсоров.