Нагревание изменило структуру кристаллов сульфата рубидия из-за термического расширения

Ученые выяснили причины и выявили механизмы термического расширения кристаллов сульфата рубидия, а также сульфата рубидия и кальция. Такие соединения состоят из серокислородных тетраэдров, соединенных с рубидий- и кальций-кислородными многогранниками. При нагреве структура первого соединения менялась из-за того, что тетраэдры начинали покачиваться, а затем вращаться. У второго изменения происходили потому, что менялись углы между многогранниками в структуре. Данные о том, как себя ведут эти материалы при увеличении температуры, позволят создать вещества или композиты с контролируемым термическим расширением, которые можно использовать в аэрокосмической отрасли. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Ceramics International.

Когда многие материалы нагреваются или охлаждаются, они меняют свой размер: при повышении температуры расширяются, а при снижении — сжимаются. Это свойство нужно учитывать авиаконструкторам, поскольку самолеты и ракеты при полетах испытывают сильные изменения температуры. При этом вещество, например, материал корпуса, может расшириться в одном направлении и сузиться в другом на уровне кристаллической решетки. Нельзя допустить, чтобы из-за такого изменения деталь деформировалась разрушилась. Поэтому ученые исследуют, как разные вещества меняют свой размер в зависимости от температуры.

Исследователи из Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова (Санкт-Петербург) и Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) проанализировали, как ведут себя соединения, которые при термическом воздействии расширяются и сужаются в разных направлениях. В качестве образцов авторы взяли кристаллы сульфата рубидия, а также сульфата рубидия с кальцием.

Оказалось, что сульфат рубидия менял свое строение при нагревании до 656°C и выше. Параметры ячейки соединения изменялись по-разному в разных направлениях. Когда температура снова понижалась обратно, структура вещества становилась прежней. Это говорит о том, что изменение структуры вещества обратимо, а значит, этим параметром можно управлять. Возможность расширяться по-разному в разных направлениях — то есть анизотропия термического расширения — сульфатов рубидия связана с покачиванием, а затем и вращением серокислородных тетраэдров при разной температуре.

Кальцийсодержащее соединение сульфата рубидия при повышении температуры расширялось равномерно. Его кристаллическая структура состоит из микроблоков — элементарных «кирпичиков» структуры. В ней есть стержни, сложенные из таких микроблоков и расположенные в разных направлениях. Изменение углов между многогранниками в этих стержнях влияет на термическое расширение данного соединения. Более того, для соединений с подобной структурой авторы установили зависимость изменения термического расширения от химического состава многогранников, входящих в их структуру. Такое расширение может быть как положительным, так и отрицательным (когда материал сжимается).

«Полученные результаты могут быть полезны при разработке новых материалов с регулируемым расширением. Такие соединения, в свою очередь, могут найти применение в термомеханических приводах и аэрокосмических компонентах. В дальнейшем мы планируем понять структурную трактовку анизотропии термического расширения других химических соединений, состоящих из подобных микроблоков», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Шаблинский, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории структурной химии оксидов Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова.