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新材料：石榴石類復(fù)合陶瓷材料

2018-06-25 12:04:38 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料科技在線分享至：

圖為釔鋁石榴石的晶體結(jié)構(gòu)。資料來(lái)源：羅巴切夫斯基州立大學(xué)

俄羅斯下諾夫哥羅德市的羅巴切夫斯基大學(xué)（UNN）的一個(gè)的研究小組，由化學(xué)家，物理學(xué)家和工程師共同組成，共同解決多年來(lái)未能解決的钚和少量錒系元素（MA）的問(wèn)題。為此，他們正在研究基于礦物質(zhì)類化合物（特別是石榴石礦物質(zhì)）的復(fù)合無(wú)機(jī)陶瓷（Cer-Cer）和金屬陶瓷（CerMet）材料。羅巴切夫斯基大學(xué)的研究人員認(rèn)為，這個(gè)問(wèn)題的最佳解決方案是制造高密度陶瓷復(fù)合惰性燃料基質(zhì)（IMF），用于燃燒钚和錒系元素。

羅巴切夫斯基大學(xué)（UNN）的固態(tài)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Ludmila Golovkina指出，從核電工程應(yīng)用的角度來(lái)看，石榴石基礦物類陶瓷的缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性低和斷裂韌性低。熱導(dǎo)率低是由于這類陶瓷的放射性熱量會(huì)引起額外溫度升高，從而降低化學(xué)穩(wěn)定性。而斷裂韌性低就會(huì)誘發(fā)微裂縫，從而造成表面粗糙并降低陶瓷的化學(xué)（水解）穩(wěn)定性。

Ludmila Golovkina解釋說(shuō)：“就這一點(diǎn)而言，制造”無(wú)機(jī)陶瓷“和”金屬陶瓷“復(fù)合材料的想法看起來(lái)非常有前景。通過(guò)在這種材料中選擇正確的部件，就可以增加無(wú)機(jī)陶瓷或金屬陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)和斷裂韌性。”

在固態(tài)化學(xué)系教授兼羅巴切夫斯基大學(xué)（UNN）的物理與技術(shù)研究所的首席研究員Albina Orlova博士的監(jiān)督下，研究小組研制并詳細(xì)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(dǎo)熱金屬（鎳，鉬，鎢）為添加劑的微粒復(fù)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(jié)裝置的示意圖：（a）總體方案；（b）樣品放置在模具中。資料來(lái)源：羅巴切夫斯基大學(xué)

Albina Orlova教授表示，開(kāi)發(fā)了一種新的化學(xué)和冶金方法，即在表面沉積薄金屬層，并合成亞微米級(jí)石榴石顆粒，同時(shí)通過(guò)高速放電等離子燒結(jié)設(shè)備來(lái)燒結(jié)粉末材料并生產(chǎn)陶瓷。通過(guò)高速加熱粉末，高功率（高達(dá)5000 A）毫秒直流脈沖并施加一定壓力的方法所生產(chǎn)的陶瓷和復(fù)合材料很有前景。

科學(xué)家已經(jīng)詳細(xì)研究了這種復(fù)合材料的高速多級(jí)燒結(jié)特性。結(jié)果表明，燒結(jié)復(fù)合材料的工序由兩個(gè)階段組成：第一階段，將致密化過(guò)程與材料的塑性流動(dòng)結(jié)合起來(lái)，第二階段發(fā)生于石榴石晶格的擴(kuò)散。

Orlova教授團(tuán)隊(duì)研究的結(jié)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(duì)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(fù)合材料的理論值為98％-99％）。

圖為“石榴石 - 碳化硅”微粒復(fù)合材料的燒結(jié)圖：加熱溫度下的（a）為收縮依賴性，（b）為收縮率資料來(lái)源：羅巴切夫斯基大學(xué)

Albina Orlova說(shuō)：“因此，我們可以確保復(fù)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(yīng)堆中所經(jīng)歷的溫度范圍與熱導(dǎo)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(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中陶瓷的破壞性和強(qiáng)度。”

這些研究結(jié)果發(fā)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(xiàng)工作的下一步將是研究這種新型復(fù)合材料的放射穩(wěn)定性及其抗熱沖擊性。因此，研究團(tuán)隊(duì)將利用新型快中子反應(yīng)堆，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)一種新生產(chǎn)方法來(lái)制造燃料，并通過(guò)將其與生物圈進(jìn)行安全隔離，來(lái)解決高放射性廢物組分固定的問(wèn)題。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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