新材料：石榴石類復合陶瓷材料
2018-06-25 12:04:38
作者：本網整理 來源：材料科技在線
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圖為釔鋁石榴石的晶體結構。 資料來源：羅巴切夫斯基州立大學
俄羅斯下諾夫哥羅德市的羅巴切夫斯基大學（UNN）的一個的研究小組，由化學家，物理學家和工程師共同組成，共同解決多年來未能解決的钚和少量錒系元素（MA）的問題。為此，他們正在研究基于礦物質類化合物（特別是石榴石礦物質）的復合無機陶瓷（Cer-Cer）和金屬陶瓷（CerMet）材料。羅巴切夫斯基大學的研究人員認為，這個問題的最佳解決方案是制造高密度陶瓷復合惰性燃料基質（IMF），用于燃燒钚和錒系元素。
羅巴切夫斯基大學（UNN）的固態化學實驗室負責人Ludmila Golovkina指出，從核電工程應用的角度來看，石榴石基礦物類陶瓷的缺點是導熱性低和斷裂韌性低。熱導率低是由于這類陶瓷的放射性熱量會引起額外溫度升高，從而降低化學穩定性。而斷裂韌性低就會誘發微裂縫，從而造成表面粗糙并降低陶瓷的化學（水解）穩定性。
Ludmila Golovkina解釋說：“就這一點而言，制造”無機陶瓷“和”金屬陶瓷“復合材料的想法看起來非常有前景。通過在這種材料中選擇正確的部件，就可以增加無機陶瓷或金屬陶瓷的導熱系數和斷裂韌性。”
在固態化學系教授兼羅巴切夫斯基大學（UNN）的物理與技術研究所的首席研究員Albina Orlova博士的監督下，研究小組研制并詳細研究了以 Y2.5Nd0.5Al5O12石榴石為主，加入具有低中子俘獲截面的碳化硅和高導熱金屬（鎳，鉬，鎢）為添加劑的微粒復合材料。為了模擬陶瓷化合物中的镅和鋦，他們選擇摻入釔鋁石榴石中的釹。
圖為放電等離子燒結裝置的示意圖：（a）總體方案； （b）樣品放置在模具中。 資料來源：羅巴切夫斯基大學
Albina Orlova教授表示，開發了一種新的化學和冶金方法，即在表面沉積薄金屬層，并合成亞微米級石榴石顆粒，同時通過高速放電等離子燒結設備來燒結粉末材料并生產陶瓷。通過高速加熱粉末，高功率（高達5000 A）毫秒直流脈沖并施加一定壓力的方法所生產的陶瓷和復合材料很有前景。
科學家已經詳細研究了這種復合材料的高速多級燒結特性。結果表明，燒結復合材料的工序由兩個階段組成：第一階段，將致密化過程與材料的塑性流動結合起來，第二階段發生于石榴石晶格的擴散。
Orlova教授團隊研究的結果是，“石榴石 - 金屬”和“石榴石 - 碳化硅”陶瓷混合物具有較高的相對密度（“石榴石 - 金屬”陶瓷的理論值為92％-99％，“石榴石 - 碳化硅”陶瓷復合材料的理論值為98％-99％）。
圖為“石榴石 - 碳化硅”微粒復合材料的燒結圖：加熱溫度下的（a）為收縮依賴性，（b）為收縮率 資料來源：羅巴切夫斯基大學
Albina Orlova說：“因此，我們可以確保復合材料的高硬度和斷裂韌性，以及它們的高熱物理性能，特別是這些材料在新型快中子反應堆中所經歷的溫度范圍與熱導率的溫度范圍接近。 一切物體都是守恒的，因此這將減少反應堆運行過程中陶瓷的破壞性和強度。”
這些研究結果發表在Materials Research Bulletin（2018，v.103，p.211-215）和Materials Chemistry and Physics（2018，v。214，p。516-526）的期刊上。
這項工作的下一步將是研究這種新型復合材料的放射穩定性及其抗熱沖擊性。因此，研究團隊將利用新型快中子反應堆，進一步開發一種新生產方法來制造燃料，并通過將其與生物圈進行安全隔離，來解決高放射性廢物組分固定的問題。
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責任編輯：韓鑫
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