Синтез минералов Том 1 - Хаджи В.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Работы по гидротермальному синтезу кварца с 1950 г. проводились под руководством П. Г. Позднякова, а в период 1952— 1954 гг.— А. А. Воронковым, В. Д. Митькиным, Б. У. Барщев-ским. Использовались автоклавы вместимостью 0,14—1,2 л. Для наращивания кристаллов применялись кварцевые пластины среза AT, а в качестве шихты — кварцевый песок. Вначале использовались высококонцентрированные (до 30%) растворы бикарбоната натрия. Однако в связи с обильным выделением силиката натрия при расслоении раствора в дальнейших экспериментах были использованы водные растворы 5 % Na2CO3-HO,5 % NaOH с добавкой 2—3 % хлорида натрия. Кристаллизация осуществлялась в интервале температур 420—430 °С при температурном перепаде 10—15 °С и давлениях порядка 100 МПа. В результате были получены визуально прозрачные кристаллы массой до 100 г, выращенные со скоростью до 0,7 мм/сут, и проведены исследования их пьезоэлектрических характеристик, подтвердившие идентичность резонаторных свойств образцов из естественного и искусственного кварца.
В последующих экспериментах Б. У. Барщевский снизил температуру кристаллизации до 360—370 0C и давление до 30— 40 МПа. При этих параметрах в растворах бикарбоната натрия в отдельных опытах длительностью до 16 сут удалось вырастить кристаллы массой до 97 г.
С целью развития исследований по гидротермальному синтезу кварца и обеспечения промышленного выхода было принято решение о создании головного научного учреждения с опытным производством — Всесоюзного научно-исследовательского института
7 пьезооптического минерального сырья (ВНИИП) *, в структуру которого была включена лаборатория синтеза кварца ЦНИЛП с имеющейся опытной базой. Значительный вклад в организацию института, создание специализированного научного подразделения— лаборатории гидротермального синтеза с задачами разработки технологии выращивания кристаллов пьезокварца, комплектации оборудования для синтеза и подбора специалистов для принципиально нового направления работ был внесен Г. М. Сафро-новым.
К моменту постановки поисковых работ по синтезу кварца коллектив института располагал сведениями о результатах предшествующих исследований, выполненных специалистами, а также литературной информацией о направлениях и некоторых результатах работ по получению кварцевых кристаллов в Великобритании и США. Это определило выбор наиболее перспективного метода синтеза (перекристаллизация кварца в условиях температурного перепада), значительно сократило объем экспериментов по апробации растворителей и исходных материалов и позволило сконцентрировать усилия исполнителей работ на поиске термобарических параметров синтеза, обеспечивающих стабильный массопе-ренос на затравки.
Отсутствие возможностей и опыта в проектировании и эксплуатации крупноразмерных автоклавов на высокие давления поставило институт в начальный период исследований перед необходимостью создания и использования технически несложной аппаратуры из серийных толстостенных стальных труб с внутренним диаметром порядка 120' мм на давление 40 МПа. Первые такие автоклавы вместимостью 25 л были сконструированы в лаборатории гидротермального синтеза в 1955 г. Е. М. Сабуренковым. К этому времени стала очевидной бесперспективность попыток получения воспроизводимых результатов по синтезу кварца при повышенных термобарических параметрах по методике, разрабатывавшейся в Центральной научно-исследовательской лаборатории пьезотехники (ЦНИЛП).
Значительные успехи в разработке методики синтеза кварца в контролируемых и воспроизводимых условиях при низких давлениях были достигнуты после того, как было детально исследовано температурное поле в рабочей камере автоклава с помощью термопар, установленных в трубчатых осерых карманах, найдены технологические параметры ввода автоклавов в режим роста, обеспечивающие равномерное протравливание затравочных пластин для удаления аморфизованного обработкой, дефектного поверхностного слоя и предотвращения растрескивания растущих кристаллов при относительно низких температурах. Использование базисных затравок взамен ромбоэдрических не только увеличило производительность процесса (отношение скорости роста граней
* В настоящее время ВНИИП преобразован во Всесоюзный научно-исследовательский институт минерального сырья (ВНИИСИМС).
8 \ринакоида, отрицательного и положительного ромбоэдров составляет соответственно 1:0,7:0,1), но и существенно повысило качество полученных кристаллов. Кристаллы, образованные пирамидами нарастания граней базиса, не содержали ростовых двойников и оказались устойчивыми к растрескиванию благодаря повышенной по сравнению с ромбоэдрами скоростью растворения поверхности базиса.
Активное проведение хорошо спланированных экспериментальных исследований под руководством А. А. Штернберга в 1955 г. позволило синтезировать в 25-литровых автоклавах кристаллы кварца массой более 2,5 кг. При этом в автоклав устанавливалось диафрагмирующее устройство с патрубками для восходящих и нисходящих конвективных потоков. Это стабилизировало гидротермальный массоперенос и осуществило контролируемый массооб-мен во время ростового цикла. В последующих экспериментальных исследованиях на опытном производстве выяснилось, что главным геометрическим параметром, определяющим конвективный массоперенос, является лишь суммарное сечение отверстий диафрагмы, что позволило упростить конструкцию массообменного-устройства и свести ее к перфорированной диафрагме.
