【虚拟专辑】核用陶瓷(202409)

核用碳化硅纤维增强碳化硅复合材料研究进展

欧阳琴, 王艳菲, 徐剑, 李寅生, 裴学良, 莫高明, 李勉, 李朋, 周小兵, 葛芳芳, 张崇宏, 何流, 杨磊, 黄政仁, 柴之芳, 詹文龙, 黄庆

无机材料学报    2022, 37 (8): 821-840.

碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)复合材料具有低中子毒性、耐中子辐照和耐高温氧化等特性, 成为先进核能系统重要的候选结构材料。近年来, 国内外学术界和工业界针对核用SiCf/SiC复合材料开展了大量研究工作, 取得了一系列重要的研究进展。针对SiCf/SiC复合材料面向核用所关注的重点方向, 如核用SiC纤维、纤维/基体界面相、复合材料制备工艺、数值仿真、腐蚀行为和表面防护、连接技术以及辐照损伤等方面, 本文进行了综述和讨论, 并针对核用要求指出了SiCf/SiC复合材料存在的主要问题和可能的解决思路, 希望对该材料的进一步研发和最终应用有所裨益。

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模拟核芯FCM燃料的振荡烧结行为研究

何宗倍, 陈放, 刘佃光, 李统业, 曾强

无机材料学报    2024, 39 (5): 501-508

全陶瓷微封装弥散(FCM)燃料以其较好的固有安全性而成为核能领域研究的重点。针对SiC基体难以烧结的问题, 本研究利用振荡烧结具有加速传质和降低烧结温度的优势, 开展了模拟核芯FCM燃料振荡烧结行为研究, 重点考察了振荡烧结温度、振荡时间与振荡压力等参数对基体致密化行为的影响, 并与热压烧结结果进行了对比。结果表明, 振荡烧结温度、保温时间以及中值压力对基体致密化有重要影响, 而振荡压力的振幅对基体致密化影响不大。相比于热压烧结, 振荡烧结可以提高材料的致密度, 振荡烧结试样的致密度更高, 1850 ℃振荡烧结试样的致密度为99.99%; 振荡烧结试样的晶粒尺寸更小, 1850 ℃振荡烧结试样的晶粒尺寸为(284±4) nm, 比同等温度下热压烧结试样的晶粒尺寸减小~27%; 振荡烧结试样的硬度更高, 1850 ℃振荡烧结试样的硬度为(26.7±0.4) GPa。借助改进的热压烧结本构方程, 计算得到试样在致密度为90%时的应力指数n=1, 活化能Q=430 kJ/mol, 致密化的主导机制为晶界扩散协调的晶界滑移。

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Zr⁴⁺共掺对Cs₂LaLiBr₆:Ce晶体的中子/伽马甄别性能的影响

郑中秋, 魏钦华, 童宇枫, 唐高, 尹航, 秦来顺

无机材料学报    2024, 39 (5): 539-546.

中子探测技术广泛用于国土安全、核材料安全检测以及高能物理等领域, 由于3He资源紧缺, 近年来急需开发出能够同时甄别中子/伽马的新型闪烁晶体, Cs2LaLiBr6:Ce(CLLB:Ce)晶体具有良好的中子/伽马甄别能力、优异的能量分辨率以及高的光输出, 但其中子/伽马甄别性能有待进一步提高。本研究采用垂直布里奇曼法成功生长了Zr4+共掺杂的CLLB:Ce晶体。通过不同表征手段研究了Zr4+共掺杂CLLB:Ce晶体的结构和组分, 结果表明Zr4+成功掺入基质材料且对基质晶体结构不产生明显的影响, Zr4+共掺杂后没有产生新的发光中心, 紫外衰减时间约为27.0 ns, 仍具有较快的荧光衰减。Zr4+共掺杂CLLB:Ce晶体的品质因子(Figure of Merit, FOM)从1.2提高到1.5, 表明其中子/伽马甄别能力得到改善。结合热稳定性和闪烁衰减时间, 探讨了衰减时间对FOM的影响机制, Zr4+共掺杂可以抑制浅电子陷阱和Vk中心, 减少电子捕获和脱陷过程, 使Ce3+直接捕获的概率大大增加, 从而表现出更快的衰减速率。本研究显示, Zr4+共掺杂CLLB:Ce晶体在中子/伽马探测领域具有潜在的应用前景。

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Si₃N₄陶瓷在高温熔盐-水氧环境下的腐蚀行为

邱子豪, 田志林, 郑丽雅, 李斌

无机材料学报    2024, 39 (3): 274-282.

熔盐电解是核能领域乏燃料干法后处理的关键技术。高温下熔盐会对盛装乏燃料的坩埚造成严重的腐蚀, 因此, 研发具有耐高温和抗腐蚀的坩埚材料是发展干法后处理技术的关键。Si3N4凭借其优异的高温热学和力学性能, 成为干法后处理工艺中坩埚的理想候选材料。然而在实际服役条件下, Si3N4面临高温熔盐和水氧的侵蚀, 其失效行为尚不明确。因此, 本工作选取Si3N4为研究对象, 在氩气和水氧(5%H2O-10%O2-85%Ar)环境中, 开展了LiCl-KCl和NaCl-2CsCl熔盐对Si3N4的腐蚀行为研究。研究发现, 在氩气环境中, Si3N4在LiCl-KCl熔盐中出现轻微的晶界腐蚀, 而NaCl-2CsCl熔盐对其腐蚀并不明显。在5%H2O-10%O2-85%Ar水氧耦合环境中, LiCl-KCl熔盐优先腐蚀Si3N4中的晶界相, 而NaCl-2CsCl熔盐的腐蚀比氩气环境更为严重。高温水氧环境显著加剧了熔盐对Si3N4陶瓷的腐蚀程度, 同时晶界相成为Si3N4最易受到腐蚀的部位。此外, LiCl-KCl和NaCl-2CsCl熔盐在Si3N4表面的润湿性与抗腐蚀性之间并无直接关联。上述研究结果揭示了Si3N4在高温熔盐-水氧环境下的腐蚀机制, 为乏燃料干法后处理工艺中关键材料的选择提供了参考。

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PrAlO₃陶瓷的制备及性能研究

顾军毅, 范武刚, 张兆泉, 姚琴, 展红全

无机材料学报    2023, 38 (10): 1200-1206.

钙钛矿结构的铝酸镨(PrAlO3)具有较高的稳定性并能提供可被其它镧系稀土离子掺杂的格位, 有望成为一种新型中子吸收材料基体, 目前对PrAlO3的研究主要集中在单晶材料的制备方法及其光学、磁学等特性。本工作采用固相反应合成法, 以正硅酸乙酯(TEOS)作为液相助烧剂, 制备了高致密度钙钛矿相PrAlO3陶瓷, 并采用XRD、SEM、顶杆法和激光闪光法系统表征了PrAlO3陶瓷的显微结构及热物理性能。结果表明, 通过在1200 ℃预先合成PrAlO3粉体并添加质量分数为0.4%~1.0%的TEOS作为液相助烧剂, 在1500 ℃左右烧结可获得相对密度大于99%的PrAlO3陶瓷; 而未添加助烧剂获得的产物相对密度仅为96%。PrAlO3陶瓷在亚临界温度360 ℃时的热导率为4.99 W·m-1·K-1, 优于Dy2TiO5和GdAlO3陶瓷, 并且室温到800 ℃的线性热膨胀系数仅为10.2× 10-6 K-1。同时, PrAlO3陶瓷的抗弯强度和维氏硬度分别达到95.55 MPa和7.95 GPa, 荧光光谱表现出Pr3+的特征发射峰。研究结果显示, 高密度钙钛矿相PrAlO3陶瓷制备方法简单, 具有较好的热物性和力学性能, 作为一种稀土基中子吸收核用材料具有较好的应用前景。

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熔盐法低温合成掺钕ZrSiO₄陶瓷的物相演变和化学稳定性

刘建, 王凌坤, 许保亮, 赵倩, 王耀萱, 丁艺, 张胜泰, 段涛

无机材料学报    2023, 38 (8): 910-916.

相较于传统固相烧结方法, 熔盐在较低的温度下提供了快速的传质和成核过程, 可合成用于固化高放废物(HLW)的陶瓷固化体。本工作采用熔盐法(MSS)在不同烧结温度(1100、1200、1300、1400、1500 ℃)和不同烧结时间(3、6、9、12、15 h)下制备了掺Nd的锆石(ZrSiO4)陶瓷(Zr1-xNdxSiO4-x/2 (0≤x≤0.1)), 并采用静态浸出试验(PCT)研究掺Nd的ZrSiO4陶瓷在模拟地质处置环境下的化学稳定性。在熔盐与氧化物最佳摩尔比为10 : 1、烧结温度为1200 ℃、烧结时间为6 h的较温和条件下, 利用熔盐法成功合成了Zr1-xNdxSiO4-x/2, 可将Nd在ZrSiO4中的固溶摩尔分数提高到8%, 结果显示MSS法能够降低陶瓷合成温度, 缩短合成时间, 提高固溶量。ZrSiO4陶瓷对三价锕系核素的固化机理为晶格固化。浸出实验结果显示, Nd的归一化浸出率（LRNd）低至~10-5 g·m-2·d-1。浸出前后ZrSiO4陶瓷未发生物相演变, 展现出较好的结构稳定性。浸出模型显示Nd浸出归因于陶瓷表面层发生溶解。研究结果表明, MSS法是一种高效的合成陶瓷固化体的手段。

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三元层状材料结构调控及性能研究进展

丁浩明, 李勉, 李友兵, 陈科, 肖昱琨, 周洁, 陶泉争, 尹航, 柏跃磊, 张毕堃, 孙志梅, 王俊杰, 张一鸣, 黄振莺, 张培根, 孙正明, 韩美康, 赵双, 王晨旭, 黄庆

无机材料学报    2023, 38 (8): 845-884.

MAX/MAB相是一类非范德华三元层状材料, 具有丰富的元素组成和晶体结构, 兼具陶瓷和金属的物理性质, 在高温、强腐蚀、辐照等极端环境中极具应用潜力。近年来, 由MAX/MAB相衍生的二维(2D)材料(MXene和MBene)在材料物理与材料化学领域引起了广泛兴趣, 已经成为继石墨烯和过渡金属硫族化合物之后最受关注的二维范德华材料。MAX/MAB相材料结构调控不仅对这类非范德华层状材料本征性能产生重要影响, 而且对其衍生的二维范德华材料结构功能特性研究也具有重要价值。本文归纳和总结了MAX/MAB相层状材料在结构调控、理论计算和应用基础研究等方向的最新科研进展, 并展望了该类层状材料未来发展方向。

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Nd₂Zr₂O₇烧绿石A、B位晶格固化钍的结构演化及化学稳定性研究

王烈林, 谢华, 谢宇骐, 胡平涛, 尹雯, 任馨玥, 丁芸

无机材料学报    2022, 37 (10): 1073-1078.

A2B2O7烧绿石以其高包容性和物理化学稳定性而成为高放废物固化体候选基材。研究通过喷雾热解-高温烧结制备了Nd2Zr2O7烧绿石A、B位钍掺杂Nd1.8Th0.2Zr2O7和Nd2Zr1.8Th0.2O7固化体, 利用不同检测手段分析样品结构, 并通过MCC-1方法研究了样品化学稳定性。Nd2Zr2O7烧绿石A和B位掺杂Th均能形成纯烧绿石结构, 掺杂将造成烧绿石结构中48f氧位置参数增大, 烧绿石向无序化结构转变。A位掺杂导致烧绿石AO8六面体结构扭曲, B位掺杂导致BO6八面体部分形变。Nd1.8Th0.2 Zr2O7和Nd2Zr1.8Th0.2O7固化体在42 d周期后Th离子浸出率在10-5 g·m-2·d-1量级, 说明锕系核素Th在Nd2Zr2O7的A、B位均能很好地被包容, 固化体表现出优异的物理化学性能。

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YIG陶瓷对三价锕系模拟核素的固化行为研究

罗世淋, 张胜泰, 许保亮, 王凌坤, 段思逸菡, 丁艺, 赵倩, 段涛

无机材料学报    2022, 37 (7): 757-763.

石榴石具有较大的锕系包容量及化学灵活性, 被认为是潜在的锕系核素固化基材。本工作以Nd3+模拟三价锕系核素, 通过高温固相法成功合成了Y3-xNdxFe5O12(0≤x≤2)系列钇铁石榴石(YIG)固化体。研究了Nd在YIG固化体中的固溶极限和Nd掺杂量对固化体的物相和微观结构的影响规律, 以及不同pH条件下Nd掺杂钇铁石榴石固化体的化学耐久性。研究结果表明, 当x≤1.7时, YIG基固化体为纯相YIG; 当x≥1.8时, YIG基固化体中YIG、NdFeO3和Fe2O3三相共存。纯相YIG基固化体对Nd3+的固溶极限约为29.5%(质量分数)。随着Nd掺杂量增加, 固化体的密度增大, 体积减小, 孔隙率减小。浸出实验结果显示, 28 d后元素归一化浸出率(LRi)逐渐趋于平衡, 42 d后, 其元素的LRi为10-6~10-5 g·m-2·d-1。LRY小于LRNd, 且酸性溶液中元素归一化浸出率也略高于中性和碱性溶液。这些结果表明, YIG陶瓷是理想的三价锕系核素候选固化基材。

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