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羅巴切夫斯基大學(xué)（UNN）的固態(tài)化學(xué)實驗室負責(zé)人Ludmila Golovkina指出，從核電工程應(yīng)用的角度來看，石榴石基礦物類陶瓷的缺點是導(dǎo)熱性低和斷裂韌性低。熱導(dǎo)率低是由于這類陶瓷的放射性熱量會引起額外溫度升高，從而降低化學(xué)穩(wěn)定性。而斷裂韌性低就會誘發(fā)微裂縫，從而造成表面粗糙并降低陶瓷的化學(xué)（水解）穩(wěn)定性。

Ludmila Golovkina解釋說：“就這一點而言，制造“無機陶瓷”和“金屬陶瓷”復(fù)合材料的想法看起來非常有前景。通過在這種材料中選擇正確的部件，就可以增加無機陶瓷或金屬陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)和斷裂韌性。”

在固態(tài)化學(xué)系教授兼羅巴切夫斯基大學(xué)（UNN）的物理與技術(shù)研究所的首席研究員Albina Orlova博士的監(jiān)督下，研究小組研制并詳細研究了以 Y2.5Nd0.5Al5O12石榴石為主，加入具有低中子俘獲截面的碳化硅和高導(dǎo)熱金屬（鎳，鉬，鎢）為添加劑的微粒復(fù)合材料。為了模擬陶瓷化合物中的镅和鋦，他們選擇摻入釔鋁石榴石中的釹。

圖為放電等離子燒結(jié)裝置的示意圖：（a）總體方案; （b）樣品放置在模具中。 資料來源：羅巴切夫斯基大學(xué)

Albina Orlova教授表示，開發(fā)了一種新的化學(xué)和冶金方法，即在表面沉積薄金屬層，并合成亞微米級石榴石顆粒，同時通過高速放電等離子燒結(jié)設(shè)備來燒結(jié)粉末材料并生產(chǎn)陶瓷。通過高速加熱粉末，高功率（高達5000 A）毫秒直流脈沖并施加一定壓力的方法所生產(chǎn)的陶瓷和復(fù)合材料很有前景。

科學(xué)家已經(jīng)詳細研究了這種復(fù)合材料的高速多級燒結(jié)特性。結(jié)果表明，燒結(jié)復(fù)合材料的工序由兩個階段組成：第一階段，將致密化過程與材料的塑性流動結(jié)合起來，第二階段發(fā)生于石榴石晶格的擴散。

Orlova教授團隊研究的結(jié)果是，“石榴石 - 金屬”和“石榴石 - 碳化硅”陶瓷混合物具有較高的相對密度（“石榴石 - 金屬”陶瓷的理論值為92％-99％，“石榴石 - 碳化硅”陶瓷復(fù)合材料的理論值為98％-99％）。

圖為“石榴石 - 碳化硅”微粒復(fù)合材料的燒結(jié)圖：加熱溫度下的（a）為收縮依賴性，（b）為收縮率  資料來源：羅巴切夫斯基大學(xué)

Albina Orlova說：“因此，我們可以確保復(fù)合材料的高硬度和斷裂韌性，以及它們的高熱物理性能，特別是這些材料在新型快中子反應(yīng)堆中所經(jīng)歷的溫度范圍與熱導(dǎo)率的溫度范圍接近。 一切物體都是守恒的，因此這將減少反應(yīng)堆運行過程中陶瓷的破壞性和強度。”

這些研究結(jié)果發(fā)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。

這項工作的下一步將是研究這種新型復(fù)合材料的放射穩(wěn)定性及其抗熱沖擊性。因此，研究團隊將利用新型快中子反應(yīng)堆，進一步開發(fā)一種新生產(chǎn)方法來制造燃料，并通過將其與生物圈進行安全隔離，來解決高放射性廢物組分固定的問題。