Керамические композиты на основе циркона и оксида гафния

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Путем спекания на воздухе в интервале 1000–1300 °C наноразмерных порошков получены керамические композиты (1–x)ZrSiO4–xHfO2 с низкой теплопроводностью. Показано, что при температуре 1300 °C композиты представляют собой смесь моноклинных твердых растворов HfxZr1–xO2 и SiO2. Впервые представлены температурно-концентрационные зависимости теплопроводности полученных керамических образцов. С помощью электронной микроскопии исследована поверхность разрушения керамических образцов после спекания при 1300 °C, методом дилатометрии изучено их термическое поведение, оценен температурный коэффициент линейного расширения.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. Л. Уголков

Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова, РАН

Email: la_mez@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

Н. А. Ковальчук

Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова, РАН

Email: la_mez@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

А. В. Осипов

Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова, РАН

Email: la_mez@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

Л. П. Мезенцева

Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова, РАН

Author for correspondence.
Email: la_mez@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

  1. Grechanovsky A.E., Urusov V.S., Eremin N.N. Molecular dynamics study of self-radiation damage in mineral matrices // J. Struct. Chem. 2016. V. 57. № 6. P. 1243‒1262.
  2. Ferriss E.D.A., Ewing R.C., Becker U. Simulation of thermodynamic mixing properties of actinide-containing zircon solid solutions // Am. Mineralog. 2010. V. 95. P. 229‒241.
  3. Burakov B.E., Ojovan M.I., Lee W.E. Crystalline materials for actinide immobilisation // Materials for Engineering. 2011. V. 1. Imperial College Press. London. 197 p.
  4. Williford R.E., Begg B.D., Weber W.J., Hess N.J. Computer simulation of Pu3+ and Pu4+ substitutions in zircon // J. Nucl. Mater. 2000. V. 278. № 2/3. P. 207‒211.
  5. Wang L., Liang T. Ceramics for high level radioactive waste solidification // J. Adv. Ceramics. 2012. V. 1. № 3. P. 194‒203.
  6. Rosado E., Alcázar C., Recio P., Moreno R. Consolidation of complex-shape zircon compacts through agar gelation // Eur. J. Mater. 2022. V. 2. № 1. P. 407‒421.
  7. Orlova A.I., Ojovan M.I. Ceramic mineral waste-forms for nuclear waste immobilization // Materials. 2019. V. 12. № 16. Article № 2638 (45 p.)
  8. Ewing R.C. The design and avaluation of nuclear-waste forms: Clues from mineralogy // The Canad. Mineral. 2001. V. 39. P. 697‒715.
  9. Уголков В.Л., Ковальчук Н.А., Осипов А.В., Мезенцева Л.П. Золь-гель синтез наноразмерных порошков и получение керамических композитов на основе циркона и оксида гафния // Физ. хим. стекла. 2024. Т. 50. В печати.
  10. Уголков В.Л., Ковальчук Н.А., Осипов А.В., Мезенцева Л.П., Акатов А.А. Керамические композиты на основе циркона и оксида циркония // Новые огнеупоры. 2023. № 9. С. 28‒33. [Ugolkov V.L., Kovalʹchuk N.A., Osipov A.V., Mezentseva L.P., Akatov A.A. Ceramic composites based on zircon and zirconium dioxide // Refract. Ind. Ceram. 2024. V. 64. № 5. P. 492‒496.]
  11. Tang J., Fabbri J., Robinson R.D., Zhu Y., Herman I.P., Steigerwald M.L., Brus L.E. Solid-solution nanoparticles: Use of a nonhydrolytic sol-gel synthesis to prepare HfO2 and HfxZr1–xO2 nanocrystals // Chem. Mater. 2004. V. 16. № 7. P. 1336‒1342.
  12. Уголков В.Л., Ковальчук Н.А., Осипов А.В., Мезенцева Л.П. Золь-гель синтез наноразмерных порошков и получение керамических композитов на основе циркона и оксида циркония // Физ. хим. стекла. 2023. Т. 49. № 5. С. 522‒531. [Ugolkov V.L., Kovalʹchuk N.A., Osipov A.V., Mezentseva L.P. Sol-gel synthesis of nanosized powders and obtaining ceramic composites based on zircon and zirconium oxide // Glass Phys. Chem. 2023. V. 49. № 5. P. 503‒509.]
  13. Huang S., Li Q., Wang Z., Cheng X., Wen H. Effect of sintering aids on the microstructure and oxidation behavior of hot-pressed zirconium silicate ceramic // Ceram. Int. 2017. V. 43. № 1. Pt. A. P. 875‒879.
  14. Анциферов В.Н., Кульметьева В.Б., Порозова С.Е., Крохалева Е.Г. Влияние нанодисперсного диоксида циркония на процессы консолидации и свойства цирконовой керамики // Новые огнеупоры. 2011. № 4. С. 35‒38. [Antsiferov V.N., Kulʹmetʹeva V.B., Porozova S.E., Krokhaleva E.G. Effect of nanodispersed zirconium dioxide on the consolidation and properties of a zircon-based ceramic // Refract. Ind. Ceram. 2011. V. 52. № 2. P. 151–154.]
  15. Stansfield M. Thermal expansion of polycrystalline HfO2–ZrO2 solid solutions // J. Am. Ceram. Soc. 1965. V. 48. № 8. P. 436–437.
  16. Бакрадзе М.М., Доронин О.Н., Артеменко Н.И., Стехов П.А., Мараховский П.С., Столярова В.Л. Исследование физико-химических свойств керамики на основе системы Sm2O3–ZrO2–HfO2 для разработки перспективных теплозащитных покрытий // Журн. неорг. химии. 2021. Т. 66. № 5. С. 695–704. [Bakradze M.M., Doronin O.N., Artemenko N.I., Stekhov P.A., Marakhovskii P.S., Stolyarova V.L. Physicochemical properties of Sm2O3–ZrO2–HfO2 ceramics for the development of promising thermal barrier coatings // Rus. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 5. P. 789‒797.]
  17. Haggerty R.P., Sarin P., Apostolov Z.D., Driemeyer P.E., Kriven W.M. Thermal expansion of HfO2 and ZrO2 // J. Am. Ceram. Soc. 2014. V. 97. № 7. P. 2213‒2222.
  18. Rendtorff N.M., Grasso S., Hu C., Suarez G., Aglietti E.F., Sakka Y. Dense zircon (ZrSiO4) ceramics by high energy ball milling and spark plasma sintering. // Ceram. Int. 2012. V. 38. № 3. P. 1793‒1799.
  19. Musyarofah N.R., Muwwaqor N.F., Saukani M., Kuswoyo A., Triwikantoro, Pratapa S. Phase study of SiO2‒ZrO2 composites prepared from polymorphic combination of starting powders via a ball-milling followed by calcination // J. Physics: Conf. Series. 2017. V. 817. № 1. Article № 012033.
  20. Rendtorff N.M., Garrido L.B., Aglietti E.F. Effect of the addition of mullite–zirconia to the thermal shock behavior of zircon materials // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 498. № 1-2. P. 208‒215.
  21. Nakamori F., Ohishi Y., Muta H., Kurosaki K., Fukumoto K.-I., Yamanaka S. Mechanical and thermal properties of ZrSiO4 // J. Nucl. Sci. Technol. 2017. V. 54. № 11. P. 1267‒1273.
  22. Xiang X., Fan H., Zhou Y. The lattice thermal conductivity of hafnia: The influence of high-order scatterings and phonon coherence. // J. Appl. Phys. 2024. V. 135. Article № 125102.
  23. Li C., Ma Y., Xue Z., Yang Y., Chen J., Guo H. Effect of Y doping on microstructure and thermophysical properties of yttria stabilized hafnia ceramics // Ceram. Int. 2018. V. 44. № 15. P. 18213‒18221.
  24. Chaubey G.S., Yao Y., Makongo J.P.A., Sahoo P., Misra D., Poudeu P.F.P., Wiley J.B. Microstructural and thermal investigations of HfO2 nanoparticles // RSC Adv. 2012. V. 2. № 24. P. 9207‒9213.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. X-ray diffraction patterns of samples of nominal composition (1–x)ZrSiO4‒xHfO2 after sintering of powders at 1300 °C (24 h), where x = 0.0 (1), 0.5 (2), 0.7 (3), 0.8 (4) and 1.0 (5), and the bar diagram of HfO2 from the ICDD-PDF-2 2022 database.

Download (185KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. SEM images of the fracture surface of ceramic samples of ZrSiO4 (a) and HfO2 (d) and ceramic samples of nominal composition 0.5ZrSiO4‒0.5HfO2 (b), 0.2ZrSiO4‒0.8HfO2 (c) after sintering at 1300 °C for 24 h.

Download (333KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dilatometry curves (dL/L0) of the samples after sintering at 1300 °C (24 h): (1) ZrSiO4 (solid), (5) HfO2 (dashed-dotted) and composites of nominal composition ‒ (2) 0.5ZrSiO4‒0.5HfO2 (dashed), (3) 0.3ZrSiO4‒0.7HfO2 (dotted), (4) 0.2ZrSiO4‒0.8HfO2 (dashed-dotted); and the corresponding LTEC curves (α, 10–3/K–1) – 1ʹ–5ʹ.

Download (134KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Temperature dependence of thermal conductivity λ [W/(m K)] of ceramic samples ZrSiO4 and HfO2, as well as samples of nominal composition 0.5ZrSiO4‒0.5HfO2, 0.3ZrSiO4‒0.7HfO2 and 0.2ZrSiO4‒0.8HfO2 after sintering at 1300 °C for 24 h.

Download (166KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences