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澤攸科技ZEM臺式掃描電鏡在ZrSiO4-ZrO2陶瓷復(fù)合材料研究中的應(yīng)用

日期:2024-09-06

陶瓷基復(fù)合材料因其獨(dú)特的物理化學(xué)和物理機(jī)械性質(zhì),在核廢料固化和隔離領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。特別是基于ZrSiO4-ZrO2體系的陶瓷復(fù)合材料,它們不僅展現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱力學(xué)性能,還具有較低的熱導(dǎo)率和良好的熱沖擊抵抗性。這些特性使得它們成為固化和隔離高放射性廢物(HLW)中錒系元素和稀土元素的理想候選材料。

然而科學(xué)文獻(xiàn)中關(guān)于ZrSiO4-ZrO2體系陶瓷復(fù)合材料的物理化學(xué)和物理機(jī)械性能的數(shù)據(jù)相對有限。盡管已有研究表明,含ZrO2的陶瓷基質(zhì)在輻射、熱力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)異,但這些材料的合成和燒結(jié)條件對其性能的影響,以及它們在實(shí)際應(yīng)用中的長期穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步研究。因此,深入研究ZrSiO4-ZrO2陶瓷復(fù)合材料的合成方法、燒結(jié)行為、熱學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性,對于開發(fā)新型核廢料固化材料具有重要意義。

澤攸科技

針對上述問題,國外研究團(tuán)隊利用澤攸科技自主研發(fā)的ZEM18臺式掃描電鏡進(jìn)行了深入研究,他們通過溶膠-凝膠法制備納米級粉末并獲得基于鋯石和氧化鋯的陶瓷復(fù)合材料,旨在評估這些復(fù)合材料在整個ZrO2濃度范圍內(nèi)作為固化矩陣的適用性,尤其是在熱導(dǎo)率、熱行為和化學(xué)穩(wěn)定性方面的特性。相關(guān)成果以“Ceramic Composites Based on Zircon and Zirconium Dioxide”發(fā)表在《Refractories and Industrial Ceramics》上,全文鏈接:https://doi.org/10.1007/s11148-024-00877-7

澤攸科技

論文的主要研究內(nèi)容集中在開發(fā)和評估基于鋯石和二氧化鋯的陶瓷復(fù)合材料(1 – x)ZrSiO4–xZrO2,這些復(fù)合材料具有低熱導(dǎo)率,適用于作為高級別放射性廢物(HLW)中錒系元素和稀土元素的固化和隔離基質(zhì)。研究團(tuán)隊通過在1000至1300°C的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)納米級粉末來制備這些復(fù)合材料,并使用一系列實(shí)驗(yàn)技術(shù)來分析它們的物理化學(xué)和熱性能。

掃描電鏡圖像顯示了在1300°C下燒結(jié)24小時后的ZrSiO4

圖 掃描電鏡圖像顯示了在1300°C下燒結(jié)24小時后的ZrSiO4(a)、0.5ZrSiO4–0.5ZrO2(b)和ZrO2陶瓷(c)的裂紋表面。

研究的核心部分包括對燒結(jié)后陶瓷樣品的斷裂表面進(jìn)行電子顯微鏡分析,以觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)和可能的缺陷。此外,通過膨脹儀對樣品的熱膨脹行為進(jìn)行了研究,以了解材料在溫度變化下的穩(wěn)定性。熱導(dǎo)率的測定是通過激光閃射技術(shù)在25至250°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的,以評估材料的熱絕緣性能。

為了評估材料的化學(xué)穩(wěn)定性,研究者還進(jìn)行了浸出實(shí)驗(yàn),將復(fù)合材料樣品在蒸餾水中處理,以模擬材料在實(shí)際環(huán)境中可能遇到的化學(xué)侵蝕情況。通過測量浸出液中鋯和硅的濃度,研究者能夠計算出材料的化學(xué)抗性,這是評估其作為長期存儲核廢料的容器材料的關(guān)鍵參數(shù)。

測試

圖 在蒸餾水中,來自陶瓷基質(zhì)ZrSiO4、0.8ZrSiO4–0.2ZrO2、0.5ZrSiO4–0.5ZrO2和0.2ZrSiO4–0.8ZrO2的硅(Si)和鋯(Zr)的浸出率R隨時間t的變化關(guān)系

綜上,這項(xiàng)研究的目標(biāo)是為核廢料的固化和隔離提供一種性能優(yōu)異的陶瓷復(fù)合材料,這些材料不僅在物理和化學(xué)性質(zhì)上穩(wěn)定,而且具有較低的環(huán)境風(fēng)險,能夠長期安全地存儲和隔離放射性廢物。研究結(jié)果為這些陶瓷復(fù)合材料作為潛在的核廢料固化材料提供了科學(xué)依據(jù),并為未來的應(yīng)用和進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

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作者:澤攸科技


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