XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Сульфидные минералы и их синтетический аналоги, имеющие отклонение от стехиометрии или небольшое содержание примесей, применяются в различных областях человеческой деятельности: в медицине, в органической химии, в сельском хозяйстве, а также как полупроводниковые материалы. Трёхкомпонентные системы имеют большое применение в минералогии и металлургии, хотя представить данные для таких систем в виде диаграмм значительно труднее, чем для двухкомпонентных. Несмотря на интенсивные исследования минералов в этой системе, многие взаимоотношения остаются неясными. Это вызвано большим числом фаз (около 40 фаз в диапазоне 200 – 1100°C [1]), которые порождают множество фазовых реакций, существованием протяженных твердых растворов, не закаливаемых фаз и стойкой метастабильностью [2].

Система Cu-Fe-S представляет большой интерес для минералогии, металлургии и материаловедения, в частности, это одна из важнейших подсистем четырехкомпонентных систем Cu-Fe-Ni-S и Cu-Fe-Sn-S. Информация о фазовых отношениях в системе Cu-Fe-S необходима для понимания механизмов образования минеральных ассоциаций в магматических сульфидных месторождениях, таких как Норильск и Садбери, и накопления минералов в природе. Кроме того, изучение фазовых отношений всегда связано с поиском новых фаз, которые могут быть потенциальными минералами и обладать интересными физическими свойствами.

Синтез фазовых ассоциаций системы Cu-Fe-S

Синтез образцов различного состава системы Cu-Fe-S проводился методом «сухого» синтеза из простых веществ при температуре 450°С. Данный метод синтеза имеет ряд преимуществ: простота, дешевизна используемого оборудования, устойчивость кварцевого стекла к резким температурам (коэффициент расширения ~ 0.5·10^-6 на 1 °С), кварцевое стекло прозрачно для ультрафиолетового и рентгеновского излучения и позволяет изучить содержимое внутри ампулы в течение синтеза [2].

Подготовленную кварцевую ампулу, которая запаивалась под вакуумом (~ 10^-4 Б) с помощью кислородной горелки, помещали в горизонтальную трубчатую печь, обладающую градиентным температурным полем, направленным вдоль оси трубы. Температура горячего и холодного концов ампулы контролировалась термопарами. Запаянную ампулу выдерживали в печи при температуре 450 °С в течение месяца, после чего снова извлекали, перетирали, запаивали в кварц и выдерживали при температуре 450 °С в течение месяца.

Рисунок 1 – Ампулы из кварцевого стекла с навесками для синтеза образцов системы Cu-Fe-S

В таблице 1 приведены номера и составы образцов системы Cu-Fe-S, для которых проводились синтезы.

Таблица 1. Номера и составы образцов системы Cu-Fe-S

Также для изучения областей известных твердых растворов данной системы были синтезированы образцы с увеличенным процентным содержанием серы.

Анализ синтезированных фазовых ассоциации системы Cu-Fe-S

Готовые образцы исследовались методом локального рентгеноспектрального микроанализа (электронный микроскоп TESCAN Vega II XMU, ИЭМ РАН, г. Черноголовка).

Результаты и обсуждения

Результаты рентгеноспектрального анализа представлены на рис. 2 и рис 3.

Рисунок 2 – Треугольник Гиббса-Розебома в центральной части системы Cu-Fe-S

Рисунок 3 – Треугольник Гиббса-Розебома в центральной части системы Cu-Fe-S с добавлением 1.5% S

Фазовые отношения определяются существованием трех широких областей твердых растворов при температуре 450°С и выше:

халькозин-дигенит-борнит (cc-dg-bn);

промежуточный твердый раствор (iss);

пирротиновый твердый раствор (po).

При температуре 450°С конечные фазовые отношения системы Cu-Fe-S на данный момент не установлены ввиду недостаточного количества экспериментальных данных, о чем говорит большое количество наблюдаемых фаз. Кроме того, большие области твердых растворов и незакаливаемость фаз затрудняют изучение фазовых отношений данной системы.

Также планируется проведение высокотемпературного рентгенофазового анализа, который позволит в полной мере оценить фазовые отношения данной системы и дополнить кристаллографические параметры для неизученных фаз.

Работа выполнена при финансовой поддержке ведущих научных школ Российской Федерации в рамках проекта «Халькогениды: рост кристаллов, геохимия, термодинамика и физические свойства» (НШ-2394.2022.1.5).

Список литературы:

Kosyakov V. I. Topological analysis of the solid-liquid diagram for the system Cu-Fe-S //Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2008. Т. 53. №. 6. С. 946-952.

Воган Д., Крейг Дж. Химия сульфидных минералов/под ред. И.Я. Некрасова. M.: «МИР», 1981. 565 с.