Разработка керамических материалов на основе иттрия и скандия с получением методами технологического горения и жидкофазного спекания ультрапористых фильтров с высокой химической, термической и радиационной стойкостью

Для атомной энергетики и других отраслей промышленности необходимо создание конструкционных и функциональных материалов на основе высокотемпературной керамики с малым сечением захвата нейтронов для эффективной работы в условиях сочетания радиационных, термических и физико-химических нагрузок. В рамках работ по Проекту исследовались оксиды иттрия и скандия, обладающие изотропной кубической системой кристаллической решетки для создания высокопористых керамических материалов с субмикронными и наноразмерными порами. Оксиды иттрия и скандия инертны к спеканию. В связи с этим, в процессе синтеза материалов на их основе применялось сочетание методов компактирования, термохимического синтеза и СВС. Для повышения энергоэффективности синтеза (снижения температур термообработки) применялись ультрадисперсные спекающие добавки с высокоразвитой поверхностью: MgO (< 5 мкм); SiC (~ 3 мкм); SiO2 (~ 5 мкм) и др. Цель работы – энергоэффективный синтез проницаемых высокопористых структур на основе многокомпонентных смесей керамических порошков, как ультрадисперсных, так и наноразмерных, содержащих металлы подгруппы скандия, их оксиды, а также различные карбиды, сульфиды и оксиды в виде спекающих добавок. Методами СЭМ и РФА установлено, что в процессе синтеза в материалах на основе Y2O3 образуется ортосиликат иттрия в результате частичного взаимодействия порошков оксида иттрия и ультрадисперсных добавок в процессе жидкофазного спекания с образованием развитой сетчато-ячеистой структуры дендритного типа. Таким образом, синтезируется 3D-матричный нанопористый композиционный материал на основе матрицы из ортосиликата иттрия с наполнителем из оксида иттрия. Анализ структуры и параметров порового пространства, синтезированных керамических материалов на основе Y2O3 методом ртутной порометрии и альтернативными методами выявил высокую корреляцию измеренных параметров пористости и удельной поверхности для исследуемого материала, размеры большинства пор которого превышают 100-200 нм. Синтезирован 3D матричный композиционный материал: открытая пористость которого более 50 %, а удельная поверхность около 1,8 м2/г. Средний размер пор в материале 1,1 мкм, при этом эквивалентный гидравлический диаметр пор около 100 нм. Разница определяется вариативностью сечений и высокой (коэффициент 32) извилистостью поровых каналов, описывающей отношение истинного пути течения к кажущемуся кратчайшему расстоянию между двумя сечениями, ортогональными основному потоку. Поскольку плотность материала – 2,3 г/см3, а прочность на сжатие – около 2МПа, он легко подвергается механической обработке твердосплавными инструментами и перспективен для создания изделий сложной формы. Второй этап исследований по Проекту был посвящен синтезу высокопористой керамики на основе оксида скандия с последующим исследованием его характеристик и параметров порового пространства. Было установлено, что в результате фазовых превращений при термообработке до 1400 °C синтезируется материал с высокоразвитой многоуровневой морфологией микроструктуры на основе Sc2O3 и тортвейтита (Sc2Si2O7), образовавшегося вследствие частичного взаимодействия активных связующих с кислородом воздуха и оксидом скандия в процессе жидкофазного спекания. Синтезированные фильтры на основе оксидов подгруппы скандия обладают высокой производительностью в сочетании с высокой эффективностью, стойкостью при воздействии высоких температур и агрессивных сред, долговечностью и возможностью многократной регенерации. Возможно применение фильтров на основе синтезированных высокопористых материалов для очистки воздуха от загрязнений (эффективно применять данные материалы в качестве долговечных высокоэффективных аэрозольных фильтров для очистки загрязненного радиоактивными элементами воздуха прежде всего от радиоактивных веществ в твердой форме), а также для очистки жидкостей теплоносителей (в том числе жидких металлов).