1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 59, № 6, 2023

Неорганические материалы, 2023, T. 59, № 6, стр. 689-695

Изучение теплопроводности мелкозернистой композиционной керамики YAG:Nd/SiC для инертных топливных матриц

Л. С. Алексеева 1, *, А. В. Нохрин 1, А. И. Орлова 1, М. С. Болдин 1, Е. А. Ланцев 1, А. А. Мурашов 1, В. Н. Чувильдеев 1, А. А. Москвичев 2

1 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
603022 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, Россия

2 Институт проблем машиностроения Российской академии наук
603024 Нижний Новгород, ул. Белинского, 85, Россия

* E-mail: golovkina_lyudmila@mail.ru

Поступила в редакцию 02.11.2022
После доработки 03.03.2023
Принята к публикации 10.03.2023

Аннотация

Изучены теплофизические свойства (теплоемкость, температуропроводность, теплопроводность) образцов мелкозернистых керамических композитов на основе иттрий-алюминиевого граната Y2.5Nd0.5Al5O12 (YAG:Nd) с различным содержанием карбида кремния α-SiC. Показано, что коэффициент теплопроводности композитов YAG:Nd/SiC превосходит аналогичные характеристики для композитов CeO2/SiC и YAG:Nd/Ni. Установлено, что высокие значения коэффициента теплопроводности обусловлены формированием зеренной микроструктуры с бимодальным распределением зерен по размерам, в которой крупные зерна граната окружены областями с повышенным содержанием высокотеплопроводящей фазы α-SiC.

Ключевые слова: керамика, гранат, композит, теплопроводность

Список литературы

  1. O’Brien R.C., Ambrosi R.M., Bannister N.P., Howe S., Atkinson H. Spark Plasma Sintering of Simulated Radioisotope Materials within Tungsten Cermets // J. Nucl. Mater. 2009. V. 39. P. 108–113. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2009.05.012

  2. O’Brien R.C., Jerred N.D. Spark Plasma Sintering of W-UO2 Cermets // J. Nucl. Mater. 2013. V. 433. P. 50–54. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.08.044

  3. Williams H.R., Ning H., Reece M.J., Ambrosi R.M., Bannister N.P., Stephenson K. Metal Matrix Composite Fuel for Space Radioisotope Energy Sources // J. Nucl. Mater. 2013. V. 433. № 1–3. P. 116–123. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.09.030

  4. Kamel N., Aϊt-Amar H., Kamel Z., Souami N., Telmoune S., Ouarezki S. On the Basic Properties of an Iron-Based Simulated Cermet Inert Matrix Fuel, Synthesized by a Dry Route in Oxidizing Conditions // Prog. Nucl. Energy. 2006. V. 48. P. 590–598. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2006.03.004

  5. Gregg D.J., Karatchevtseva I., Triani G., Lumpkin G.R., Vance E.R. The Thermophysical Properties of Calcium and Barium Zirconium Phosphate // J. Nucl. Mater. 2013. V. 441. № 1–3. P. 203–210. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2013.05.075

  6. Ryu H.J., Lee Y.W., Cha S.I., Hong S.H. Sintering Behaviour and Microstructures of Carbides and Nitrides for the Inert Matrix Fuel by Spark Plasma Sintering // J. Nucl. Mater. 2006. V. 352. P. 341–348. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2006.02.089

  7. Raison P.E., Haire R.G. Structural Investigation of the Pseudo-Ternary System AmO2–Cm2O3–ZrO2 as Potential Materials for Transmutation // J. Nucl. Mater. 2003. V. 320. № 1–2. P. 31–35. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(03)00165-X

  8. Potanina E., Golovkina L., Orlova A., Nokhrin A., Boldin M., Sakharov N. Lanthanide (Nd, Gd) Compounds with Garnet and Monazite Structures. Powders Synthesis by “Wet” Chemistry to Sintering Ceramics by Spark Plasma Sintering // J. Nucl. Mater. 2016. V. 473. P. 93–98. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.02.014

  9. Лившиц Т.С. Изоморфизм актиноидов и РЗЭ в синтетических ферритных гранатах // Геология рудных месторождений. 2010. Т. 52. № 1. С. 54–64.

  10. Томилин С.В., Лизин А.А., Лукиных А.Н., Лившиц Т.С. Радиационная и химическая устойчивость алюмоиттриевого граната // Радиохимия. 2011. Т. 53. № 2. С. 162–165.

  11. Лившиц Т.С., Лизин А.А., Джанг Дж., Юинг Р.Ч. Аморфизация редкоземельных алюминатных гранатов при ионном облучении и распаде примеси 244Cm // Геология руд. месторождений. 2010. Т. 52. № 4. С. 297–309.

  12. Stockmeier M., Sakwe S.A., Hens P., Wellmann P.J., Hock R., Magerl A. Thermal Expansion Coefficients of 6H Silicon Carbide // Mater. Sci. Forum. 2009. V. 600–603. P. 517–520. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.600-603.517

  13. Wang J., Xu F., Wheatley R.J., Neate N.C., Hou X. Yb3+ Doping Effects on Thermal Conductivity and Thermal Expansion of Yttrium Aluminium Garnet // Ceram. Int. 2016. V. 42. № 12. P. 14228–14235. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.06.034

  14. Chuvil’deev V.N., Boldin M.S., Nokhrin A.V., Popov A.A. Advanced Materials Obtained by Spark Plasma Sintering // Acta Astronaut. 2017. V. 135. P. 192–197. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.09.002

  15. Алексеева Л.С., Нохрин А.В., Каразанов К.О., Орлова А.И., Болдин М.С., Ланцев Е.А., Мурашов А.А., Чувильдеев В.Н. Исследование механических свойств и стойкости к термоудару мелкозернистой керамики YAG:Nd/SiC // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 2. С. 209–214. https://doi.org/10.1134/S0020168522020017

  16. Golovkina L.S., Orlova A.I., Chuvil’deev V.N., Boldin M.S., Lantcev E.A., Nokhrin A.V., Sakharov N.V., Zelenov A.Yu. Spark Plasma Sintering of High-Density Fine-Grained Y2.5Nd0.5Al5O12 + SiC Composite Ceramics // Mater. Res. Bull. 2018. V. 103. P. 211–215. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2018.03.042

  17. Schneider G.A. Thermal Shock Criteria for Ceramics // Ceram. Int. 1991. V. 17. P. 325–333.

  18. Bao Y.W., Wang X.H., Zhang H.B., Zhou Y.C. Thermal Shock Behavior of Ti3AlC2 between 200°C and 1300°C // J. Eur. Ceram. Soc. 2005. V. 25. P. 3367–3374.

  19. Tokita M. Progress of Spark Plasma Sintering (SPS) Method, Systems, Ceramics Applications and Industrializations // Ceramics. 2021. V. 4. № 2. P. 160–198. https://doi.org/10.3390/ceramics4020014

  20. Orlova A.I. Crystalline Phosphates for HLW Immobilization – Composition, Structure, Properties and Production of Ceramics. Spark Plasma Sintering as a Promising Sintering Technology // J. Nucl. Mater. 2022. V. 559. P. 153407. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153407

  21. Orlova A.I., Ojovan M.I. Ceramic Mineral Waste-Forms for Nuclear Waste Immobilization // Materials. 2019. V. 12. № 16. P. 2638. https://doi.org/10.3390/ma12162638

  22. Михайлов Д.А., Потанина Е.А., Орлова А.И., Нохрин А.В., Болдин М.С., Белкин О.А., Сахаров Н.В., Скуратов В.А., Кирилкин Н.С., Чувильдеев В.Н. Исследование радиационной и гидролитической устойчивости керамики на основе фосфата Y0.95Gd0.05PO4 со структурой ксенотима // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 7. С. 796–802. https://doi.org/10.31857/S0002337X21070125

  23. Mikhailov D., Orlova A., Malanina N., Nokhrin A.V., Potanina E.A., Chuvil’deev V.N., Boldin M.S., Sakharov N.V., Belkin O.A., Kalenova M.Yu., Lantcev E.A. A Study of Fine-Grained Ceramics Based on Complex Oxides ZrO2-Ln2O3 (Ln = Sm, Yb) Obtained by Spark Plasma Sintering for Inert Matrix Fuel // Ceram. Int. 2018. V. 44. P. 18595–18608. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.07.084

  24. Alekseeva L., Nokhrin A., Boldin M., Lantsev E., Murashov A., Orlova A., Chuvil’deev V. Study of the Hydrolytic Stability of Fine-Grained Ceramics Based on Y2.5Nd0.5Al5O12 Oxide with a Garnet Structure under Hydrothermal Conditions // Materials. 2021. V. 14. № 9. P. 2152. https://doi.org/10.3390/ma14092152

  25. Hargman D.L. MATPRO-Version11, A Handbook of Materials Properties for Use in the Analysis of Light Water Reactor Fuel Rod Behavior, Idaho National Engineering Lab, 1981.

  26. Alekseeva L., Nokhrin A., Boldin M., Lantsev E., Orlova A., Chuvil’deev V., Sakharov N. Fabrication of Fine-Grained CeO2-SiC Ceramics for Inert Fuel Matrices by Spark Plasma Sintering // J. Nucl. Mater. 2020. V. 539. P. 152225. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152225

  27. Golovkina L.S., Orlova A.I., Boldin M.S., Sakharov N.V., Chuvil’deev V.N., Konings R., Staicu D. Development of Composite Ceramic Materials with Improved Thermal Conductivity and Plasticity Based on Garnet-Type Oxides // J. Nucl. Mater. 2017. V. 489. P. 158–163. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.03.031

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал