石榴石类复合陶瓷材料

俄罗斯下诺夫哥罗德市的罗巴切夫斯基大学（UNN）的一个的研究小组，由化学家，物理学家和工程师共同组成，共同解决多年来未能解决的钚和少量锕系元素（MA）的问题。为此，他们正在研究基于矿物质类化合物（特别是石榴石矿物质）的复合无机陶瓷（Cer-Cer）和金属陶瓷（CerMet）材料。罗巴切夫斯基大学的研究人员认为，这个问题的最佳解决方案是制造高密度陶瓷复合惰性燃料基质（IMF），用于燃烧钚和锕系元素。

罗巴切夫斯基大学（UNN）的固态化学实验室负责人Ludmila Golovkina指出，从核电工程应用的角度来看，石榴石基矿物类陶瓷的缺点是导热性低和断裂韧性低。热导率低是由于这类陶瓷的放射性热量会引起额外温度升高，从而降低化学稳定性。而断裂韧性低就会诱发微裂缝，从而造成表面粗糙并降低陶瓷的化学（水解）稳定性。

Ludmila Golovkina解释说：“就这一点而言，制造“无机陶瓷”和“金属陶瓷”复合材料的想法看起来非常有前景。通过在这种材料中选择正确的部件，就可以增加无机陶瓷或金属陶瓷的导热系数和断裂韧性。”

在固态化学系教授兼罗巴切夫斯基大学（UNN）的物理与技术研究所的首席研究员Albina Orlova博士的监督下，研究小组研制并详细研究了以 Y2.5Nd0.5Al5O12石榴石为主，加入具有低中子俘获截面的碳化硅和高导热金属（镍，钼，钨）为添加剂的微粒复合材料。为了模拟陶瓷化合物中的镅和锔，他们选择掺入钇铝石榴石中的钕。

图为放电等离子烧结装置的示意图：（a）总体方案; （b）样品放置在模具中。 

Albina Orlova教授表示，开发了一种新的化学和冶金方法，即在表面沉积薄金属层，并合成亚微米级石榴石颗粒，同时通过高速放电等离子烧结设备来烧结粉末材料并生产陶瓷。通过高速加热粉末，高功率（高达5000 A）毫秒直流脉冲并施加一定压力的方法所生产的陶瓷和复合材料很有前景。

科学家已经详细研究了这种复合材料的高速多级烧结特性。结果表明，烧结复合材料的工序由两个阶段组成：第一阶段，将致密化过程与材料的塑性流动结合起来，第二阶段发生于石榴石晶格的扩散。

Orlova教授团队研究的结果是，“石榴石 - 金属”和“石榴石 - 碳化硅”陶瓷混合物具有较高的相对密度（“石榴石 - 金属”陶瓷的理论值为92％-99％，“石榴石 - 碳化硅”陶瓷复合材料的理论值为98％-99％）。

Albina Orlova说：“因此，我们可以确保复合材料的高硬度和断裂韧性，以及它们的高热物理性能，特别是这些材料在新型快中子反应堆中所经历的温度范围与热导率的温度范围接近。 一切物体都是守恒的，因此这将减少反应堆运行过程中陶瓷的破坏性和强度。”

这些研究结果发表在Materials Research Bulletin（2018，v.103，p.211-215）和Materials Chemistry and Physics（2018，v。214，p。516-526）的期刊上。

这项工作的下一步将是研究这种新型复合材料的放射稳定性及其抗热冲击性。因此，研究团队将利用新型快中子反应堆，进一步开发一种新生产方法来制造燃料，并通过将其与生物圈进行安全隔离，来解决高放射性废物组分固定的问题。