Thermodynamic and Kinetic Study of the Crystallization of a Phosphate Glass Doped with Transition Metals

Abstract

في هذه الدراسة ، تم فحص زجاج الفوسفات ذو التركيبة التالية Na2ZnP2O7 لمعرفة سلوك التبلور غير متساوي الحرارة والمرحلة التي يتبلور فيها الزجاج. تُستخدم عمليات حيود الأشعة السينية (DRX) والتحليل الحراري التفاضلي (ATD)لدراسة الطور البلوري والمعلمات الحركية المرتبطة به في عينات الزجاج، على التوالي. يشير مخطط حيود الزجاج المركب إلى بنية زجاجية غير متبلورة دون مرحلة بلورية إضافية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر عينة الزجاج المعالجة بالحرارة تبلور المرحلة البلورية Na2ZnP2O7 تمت دراسة حركية التبلور والمعلمات المرتبطة بها لزجاجNa2ZnP2O7 باستخدام نماذج مختلفة. تم استنتاج أس أفرامي لفهم تشكل خلية الوحدة للبلورة ونمو المراحل البلورية المختلفة التي تكونت عن طريق المعالجة الحرارية للزجاج. يؤكد تغيير الأس الأفرامي المحلي مع جزء الحجم المتبلور أن عملية التبلور تحدث عن طريق تشكل خلية وحدة بلورية حجمية ( نواة) ، حيث يليها النمو ثلاثي الأبعاد. في المقابل، تم تصنيع سلسلة من زجاج فوسفات الزنك المطعمة بأيونات معادن انتقالية مختلفة ذات تركيب 〖 Na〗_2 Zn_((1-x) ) M_x P_2 O_7حيث M = Ni أو Co ،بنسب مختلفة 5 % 2% 1% في المول و تمت دراسة الجزء التخيلي لثابت العزل الكهربائي للنظام باستخدام حواجز عازلة موضوعة على جانبي العينة، في نطاق درجة الحرارة والتردد من 273 إلى 473 كلفن و-210هرتز إلى 1 ميجا هرتز، على التوالي، من خلال التحليل الطيفي للممانعة. بالإضافة إلى ذلك، تمت مناقشة المعلمات الديناميكية الحرارية المحسوبة، مثل طاقة التنشيط الحرة (ΔF)، والمحتوى الحراري للتنشيط (ΔH)، وانتروبيا التنشيط (ΔS)، بناءً على التركيب وطبيعة كاتيون المنشطات

In the present investigation, a glass of the composition Na2ZnP2O7 is studied for its non-isothermal crystallization behaviour and the phase into which the glass crystallizes. X-ray diffraction (XRD) and differential thermal analysis (DTA) processes are used to study the crystalline phase and its associated kinetic parameters for the glass sample, respectively. The diffractogram of the as-synthesized glass indicates an amorphous glassy structure without an additional crystalline phase. Moreover, the heat-treated glass sample shows the crystallization of the Na2ZnP2O7 crystalline phase. The crystallization kinetics and associated parameters of Na2ZnP2O7 glass were deeply delved into, with various models. Avrami exponents are deduced to understand the nucleation and growth of different crystalline phases formed by glass heat treatment. The change in the local Avrami exponent with the crystallized volume fraction confirms that the crystallization process occurs through volume nucleation, mainly with 3D growth. In other hand, a series of zinc phosphate glass doped with different transition metal ions of the composition Na_2 Zn_((1-x) ) M_x P_2 O_7 (where M = Ni and Co), with x = 2 and 5 mol %, were synthesized. The imaginary part of the dielectric constant properties of the system has been investigated with insulating barriers placed on both sides of the sample, in the temperature and the frequency range 273–473 K and 10-2 Hz–1MHz, respectively, by means of impedance spectroscopy. Moreover, the calculated thermodynamic parameters, such as the free energy of activation (ΔF), the enthalpy of activation (ΔH), and the entropy of activation (ΔS), were discussed as function composition and nature of cation doping

Dans la présente étude, un verre de composition Na2ZnP2O7 est étudié pour son comportement de cristallisation non isothermique et la phase dans laquelle le verre se cristallise. Les processus de diffraction des rayons X (XRD) et d'analyse thermique différentielle (DTA) sont utilisés pour étudier la phase cristalline et ses paramètres cinétiques associés aux échantillons de verre, respectivement. Le diffractogramme du verre synthétisé indique une structure vitreuse amorphe sans phase cristalline additionnelle. De plus, l'échantillon de verre traité thermiquement montre la cristallisation de la phase cristalline Na2ZnP2O7. La cinétique de cristallisation et les paramètres associés du verre Na2ZnP2O7 ont été approfondis, avec divers modèles. Les exposants d'Avrami sont déduits pour comprendre la nucléation et la croissance des différentes phases cristallines formées par le traitement thermique du verre. Le changement de l'exposant local d'Avrami avec la fraction de volume cristallisé confirme que le processus de cristallisation se produit par nucléation de volume, principalement avec une croissance en 3D. En revanche, une série de verres de phosphate de zinc dopés avec différents ions de métaux de transition de composition Na_2 Zn_((1-x) ) M_x P_2 O_7 (où M = Ni et Co), avec x = 2 et 5 % mol, ont été synthétisés. La partie imaginaire des propriétés de la constante diélectrique du système a été étudiée avec des barrières isolantes placées des deux côtés de l'échantillon, dans la plage de température et de fréquence de 273 à 473 K et de 10-2 Hz à 1 MHz, respectivement, par le biais de la spectroscopie d'impédance. De plus, les paramètres thermodynamiques calculés, tels que l'énergie libre d'activation (ΔF), l'enthalpie d'activation (ΔH) et l'entropie d'activation (ΔS), ont été discutés en fonction de la composition et la nature du cation dopant