Керамические композиты на основе циркона и оксида гафния

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Путем спекания на воздухе в интервале 1000–1300 °C наноразмерных порошков получены керамические композиты (1–x)ZrSiO4–xHfO2 с низкой теплопроводностью. Показано, что при температуре 1300 °C композиты представляют собой смесь моноклинных твердых растворов HfxZr1–xO2 и SiO2. Впервые представлены температурно-концентрационные зависимости теплопроводности полученных керамических образцов. С помощью электронной микроскопии исследована поверхность разрушения керамических образцов после спекания при 1300 °C, методом дилатометрии изучено их термическое поведение, оценен температурный коэффициент линейного расширения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Л. Уголков

Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова, РАН

Email: la_mez@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Н. А. Ковальчук

Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова, РАН

Email: la_mez@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. В. Осипов

Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова, РАН

Email: la_mez@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Л. П. Мезенцева

Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова, РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: la_mez@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Grechanovsky A.E., Urusov V.S., Eremin N.N. Molecular dynamics study of self-radiation damage in mineral matrices // J. Struct. Chem. 2016. V. 57. № 6. P. 1243‒1262.
  2. Ferriss E.D.A., Ewing R.C., Becker U. Simulation of thermodynamic mixing properties of actinide-containing zircon solid solutions // Am. Mineralog. 2010. V. 95. P. 229‒241.
  3. Burakov B.E., Ojovan M.I., Lee W.E. Crystalline materials for actinide immobilisation // Materials for Engineering. 2011. V. 1. Imperial College Press. London. 197 p.
  4. Williford R.E., Begg B.D., Weber W.J., Hess N.J. Computer simulation of Pu3+ and Pu4+ substitutions in zircon // J. Nucl. Mater. 2000. V. 278. № 2/3. P. 207‒211.
  5. Wang L., Liang T. Ceramics for high level radioactive waste solidification // J. Adv. Ceramics. 2012. V. 1. № 3. P. 194‒203.
  6. Rosado E., Alcázar C., Recio P., Moreno R. Consolidation of complex-shape zircon compacts through agar gelation // Eur. J. Mater. 2022. V. 2. № 1. P. 407‒421.
  7. Orlova A.I., Ojovan M.I. Ceramic mineral waste-forms for nuclear waste immobilization // Materials. 2019. V. 12. № 16. Article № 2638 (45 p.)
  8. Ewing R.C. The design and avaluation of nuclear-waste forms: Clues from mineralogy // The Canad. Mineral. 2001. V. 39. P. 697‒715.
  9. Уголков В.Л., Ковальчук Н.А., Осипов А.В., Мезенцева Л.П. Золь-гель синтез наноразмерных порошков и получение керамических композитов на основе циркона и оксида гафния // Физ. хим. стекла. 2024. Т. 50. В печати.
  10. Уголков В.Л., Ковальчук Н.А., Осипов А.В., Мезенцева Л.П., Акатов А.А. Керамические композиты на основе циркона и оксида циркония // Новые огнеупоры. 2023. № 9. С. 28‒33. [Ugolkov V.L., Kovalʹchuk N.A., Osipov A.V., Mezentseva L.P., Akatov A.A. Ceramic composites based on zircon and zirconium dioxide // Refract. Ind. Ceram. 2024. V. 64. № 5. P. 492‒496.]
  11. Tang J., Fabbri J., Robinson R.D., Zhu Y., Herman I.P., Steigerwald M.L., Brus L.E. Solid-solution nanoparticles: Use of a nonhydrolytic sol-gel synthesis to prepare HfO2 and HfxZr1–xO2 nanocrystals // Chem. Mater. 2004. V. 16. № 7. P. 1336‒1342.
  12. Уголков В.Л., Ковальчук Н.А., Осипов А.В., Мезенцева Л.П. Золь-гель синтез наноразмерных порошков и получение керамических композитов на основе циркона и оксида циркония // Физ. хим. стекла. 2023. Т. 49. № 5. С. 522‒531. [Ugolkov V.L., Kovalʹchuk N.A., Osipov A.V., Mezentseva L.P. Sol-gel synthesis of nanosized powders and obtaining ceramic composites based on zircon and zirconium oxide // Glass Phys. Chem. 2023. V. 49. № 5. P. 503‒509.]
  13. Huang S., Li Q., Wang Z., Cheng X., Wen H. Effect of sintering aids on the microstructure and oxidation behavior of hot-pressed zirconium silicate ceramic // Ceram. Int. 2017. V. 43. № 1. Pt. A. P. 875‒879.
  14. Анциферов В.Н., Кульметьева В.Б., Порозова С.Е., Крохалева Е.Г. Влияние нанодисперсного диоксида циркония на процессы консолидации и свойства цирконовой керамики // Новые огнеупоры. 2011. № 4. С. 35‒38. [Antsiferov V.N., Kulʹmetʹeva V.B., Porozova S.E., Krokhaleva E.G. Effect of nanodispersed zirconium dioxide on the consolidation and properties of a zircon-based ceramic // Refract. Ind. Ceram. 2011. V. 52. № 2. P. 151–154.]
  15. Stansfield M. Thermal expansion of polycrystalline HfO2–ZrO2 solid solutions // J. Am. Ceram. Soc. 1965. V. 48. № 8. P. 436–437.
  16. Бакрадзе М.М., Доронин О.Н., Артеменко Н.И., Стехов П.А., Мараховский П.С., Столярова В.Л. Исследование физико-химических свойств керамики на основе системы Sm2O3–ZrO2–HfO2 для разработки перспективных теплозащитных покрытий // Журн. неорг. химии. 2021. Т. 66. № 5. С. 695–704. [Bakradze M.M., Doronin O.N., Artemenko N.I., Stekhov P.A., Marakhovskii P.S., Stolyarova V.L. Physicochemical properties of Sm2O3–ZrO2–HfO2 ceramics for the development of promising thermal barrier coatings // Rus. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 5. P. 789‒797.]
  17. Haggerty R.P., Sarin P., Apostolov Z.D., Driemeyer P.E., Kriven W.M. Thermal expansion of HfO2 and ZrO2 // J. Am. Ceram. Soc. 2014. V. 97. № 7. P. 2213‒2222.
  18. Rendtorff N.M., Grasso S., Hu C., Suarez G., Aglietti E.F., Sakka Y. Dense zircon (ZrSiO4) ceramics by high energy ball milling and spark plasma sintering. // Ceram. Int. 2012. V. 38. № 3. P. 1793‒1799.
  19. Musyarofah N.R., Muwwaqor N.F., Saukani M., Kuswoyo A., Triwikantoro, Pratapa S. Phase study of SiO2‒ZrO2 composites prepared from polymorphic combination of starting powders via a ball-milling followed by calcination // J. Physics: Conf. Series. 2017. V. 817. № 1. Article № 012033.
  20. Rendtorff N.M., Garrido L.B., Aglietti E.F. Effect of the addition of mullite–zirconia to the thermal shock behavior of zircon materials // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 498. № 1-2. P. 208‒215.
  21. Nakamori F., Ohishi Y., Muta H., Kurosaki K., Fukumoto K.-I., Yamanaka S. Mechanical and thermal properties of ZrSiO4 // J. Nucl. Sci. Technol. 2017. V. 54. № 11. P. 1267‒1273.
  22. Xiang X., Fan H., Zhou Y. The lattice thermal conductivity of hafnia: The influence of high-order scatterings and phonon coherence. // J. Appl. Phys. 2024. V. 135. Article № 125102.
  23. Li C., Ma Y., Xue Z., Yang Y., Chen J., Guo H. Effect of Y doping on microstructure and thermophysical properties of yttria stabilized hafnia ceramics // Ceram. Int. 2018. V. 44. № 15. P. 18213‒18221.
  24. Chaubey G.S., Yao Y., Makongo J.P.A., Sahoo P., Misra D., Poudeu P.F.P., Wiley J.B. Microstructural and thermal investigations of HfO2 nanoparticles // RSC Adv. 2012. V. 2. № 24. P. 9207‒9213.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы образцов номинального состава (1–x)ZrSiO4‒xHfO2 после спекания порошков при 1300 °C (24 ч), где х = 0.0 (1), 0.5 (2), 0.7 (3), 0.8 (4) и 1.0 (5), и штрихдиаграмма HfO2 из базы данных ICDD-PDF-2 2022.

Скачать (185KB)
Метаданные
3. Рис. 2. СЭМ-изображения поверхности разрушения керамических образцов ZrSiO4 (а) и HfO2 (г) и керамических образцов номинального состава 0.5ZrSiO4‒0.5HfO2 (б), 0.2ZrSiO4‒0.8HfO2 (в) после спекания при 1300 °C 24 ч.

Скачать (333KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Кривые дилатометрии (dL/L0) образцов после спекания при 1300 °C (24 ч): (1) ZrSiO4 (сплошная), (5) HfO2 (штрихдвухпунктирная) и композитов номинального состава ‒ (2) 0.5ZrSiO4‒0.5HfO2 (штриховая), (3) 0.3ZrSiO4‒0.7HfO2 (пунктирная), (4) 0.2ZrSiO4‒0.8HfO2 (штрихпунктирная); и соответствующие кривые ТКЛР (α, 10–3/K–1) – 1ʹ–5ʹ.

Скачать (134KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Температурная зависимость теплопроводности λ [Вт/(м·К)] керамических образцов ZrSiO4 и HfO2, а также образцов номинального состава 0.5ZrSiO4‒0.5HfO2, 0.3ZrSiO4‒0.7HfO2 и 0.2ZrSiO4‒0.8HfO2 после спекания при 1300 °C 24 ч.

Скачать (166KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025