Решение актуальных задач с использованием пучков заряженных частиц комплекса NICA

Отчет 94 с., 22 рис., 4 табл., 105 источников, 2 прил. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Оксидные материалы, композитный материал, полимерные материалы, аэрогели, базальт, тяжелые ионы, титанаты РЗЭ, керамика, ферриты, керамические материалы, наноразмерность, аморфизация, SPS, окисление, механические свойства, электрофизические свойства, радиационная стойкость. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: Высокопористые материалы на основе оксидных и полимерных аэрогелей, влючая аэрогели SiO2, GeO2, бинарные аэрогели SiO2-B2O3, аэрогели на основе синтетических (полиамиды, полиолефины) и природных (целлюлоза) полимеров, многокомпонентные титанаты РЗЭ на основе титаната гадолиния, высокотемпературные керамические конструкционные материалы на основе тугоплавких диборидов металлов и кубического карбида кремния, микрокристаллический керамический материал, изготовленный из высокодисперсного порошка ромбоэдрического оксида железа-индия-цинка, магматические горные породы семейства габбро и базальта, минеральные волокна. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Проведение фундаментальных исследований, направленных на решение актуальных задач с использованием пучков заряженных частиц комплекса NICA. Для достижения поставленной цели запланировано решение следующих задач: - разработка методов синтеза новых типов высокопористых материалов на основе оксидных и полимерных аэрогелей для анализа особенностей взаимодействия высокоэнергетических заряженных частиц с такими материалами; - создание методов синтеза высокоэнтропийных титанатов РЗЭ и изучение их аморфизации под действием пучка тяжелых ионов с высокими энергиями; - разработка метода получения малопористых керамических материалов ZrB2-30 об.%SiC и (ZrB2-HfB2)-30 об.% SiC с применением реакционного искрового плазменного спекания композиционных порошков ZrB2(HfB2)-(SiO2-C), изучение их стойкости к окислению; - разработка простого и экономичного способа изготовления плотной керамики из нанокристаллических порошков сложных оксидов железа и получение новых данных о ее радиационной стойкости, структурно-механических и электрофизических характеристиках; - создание композитного материала на основе минеральных волокон с наполнителем в виде измельченной магматической породы и связующим неорганическим компонентом. МЕТОД ИЛИ МЕТОДОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ Решение поставленных в рамках НИР задач требовало проведения комплексного исследования, включающего в себя разработку методов синтеза как новых аэрогелей (неорганических и полимерных), так и известных с улучшенными характеристиками, а также установление влияния условий синтеза на физико-химические свойства получаемых материалов, анализ изменений физико-химических характеристик аэрогелей в результате обработки пучками высокоэнергетических заряженных частиц. Работа проведена с использованием комплексного подхода, сочетающего разработанные в ИОНХ РАН методики и классические методы физико-химического анализа. Решение поставленных задач требует проведения комплексного исследования, включающего в себя синтез сложных оксидов методом «обратного осаждения с последующей высокотемпературной обработкой, идентификация методами дифференциальной сканирующей калориметрией, рентгенофазовым анализом, растровой электронной микроскопией. Были разработаны методы синтеза как новых аэрогелей (неорганических и полимерных), так и известных с улучшенными характеристиками, а также установление влияния условий синтеза на физико-химические свойства получаемых материалов, анализ изменений физико-химических характеристик аэрогелей в результате обработки пучками высокоэнергетических заряженных частиц. Также синтез исходных порошков выполнялся с применением модифицированной золь-гель технологии с последующей карбонизацией ксерогелей в условиях динамического вакуума. Изготовление керамических материалов выполнялось с применением реакционного искрового плазменного спекания (SPS). Элементный и фазовый состав изучался с применением РФА, EDX-анализа. Микроструктура образцов исследовалась с применением РЭМ в различных режимах съемки. Величины удельной электропроводности образцов оценивались четырёхконтактным методом в рамках ступенчатого гальваностатического режима на воздухе при комнатной температуре. Работа выхода электрона определялась с помощью Кельвин-зондовой силовой микроскопии. Стойкость к окислению полученных керамических композитов определялась с помощью термического анализа в токе воздуха (в интервале температур 25-1200С) и в результате термической обработки в муфельной печи при температурах 800, 1000 и 1200С в течение 60 мин. Нанокристаллические ферриты были получены путем отжига твердофазных продуктов термического разложения смесей, состоящих из растворов нитратов металлов и поливинилового спирта. Отожженные порошки уплотнялись с помощью холодного одноосного прессования и затем спекались на воздухе. Плотность спеченной керамики оценивалась геометрическим способом. Структура и фазовый состав синтезированных материалов были исследованы с помощью порошковой рентгеновской дифракции. Для изучения их микроструктурных характеристик применялась растровая электронная микроскопия. Испытание керамики на микротвердость было проведено по методу Виккерса. Для определения ее энергии ширины запрещенной зоны методом Тауца использовались данные спектроскопии диффузного отражения. Оценка радиационной стойкости ферритов в условиях воздействия потока тяжелых ионов высоких энергий проводилась по расчетным критериям, учитывающим степень ионности связей, а также температуры их плавления и кристаллизации. При проведении исследований был использован методологический подход, включающий на предварительном этапе компьютерное физико-химическое моделировании (КФХМ) природных и технологических процессов с последующей экспериментальной проверкой и уточнением полученных результатов для изготовления опытных образцов нового композитного материала. КФХМ позволило определить исходный минеральный состав породы и влияние на него различных внешних условий нагрева и охлаждения породы. Таким образом, перед работами по получению лабораторных образцов удалось оценить качество сырья (образца магматической породы) по его химическому составу и технологические условия его обработки (температурный профиль термообработки и количество связующего компонента). В процессе практического получения опытных образцов оценочные данные были уточнены и оптимизированы. НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЙ (ЗНАЧИМЫЙ) РЕЗУЛЬТАТ, ПОЛУЧЕННЫЙ В 2024 г. В рамках реализации НИР был достигнут ряд значимых результатов, соответствующих мировым тенденциям реализации актуальных исследований. Предложены новые методы и реализован синтез аэрогелей на основе диоксида германия, в том числе с использованием эпоксид-индуцированного гелеобразования в среде уксусной кислоты. Показано, что варьирование условий синтеза позволяет получать как аморфные, так и кристаллические аэрогели диоксида германия, в т.ч. в виде монолитных образцов. Предложен новый метод получения и впервые с использованием борной кислоты и ее простых эфиров синтезированы бинарные аэрогели SiO2–B2O3. Определена последовательность фазовых превращений при образовании наноразмерных многокомпонентных оксидов редкоземельных элементов со структурой пирохлора на основе титаната гадолиния и определены температурные параметры отдельных стадий их получения. Показаны возможности изготовления ультравысокотемпературной керамики состава ZrB2-30 об.%SiC и (ZrB2-HfB2)-30 об.% SiC путем реакционного искрового плазменного спекания композиционных порошков ZrB2(HfB2)-(SiO2-C) при двухступенчатом нагреве. Изучены фазовый состав и микроструктура полученных керамических материалов, четырехконтактным методом оценена их электропроводность, с применением Кельвин-зондовой силовой микроскопии определена работа выхода электрона. Термический анализ в токе воздуха, а также прокаливание образцов при температурах 800, 1000 и 1200С на воздухе показали, в целом, сходного поведение материалов. Однако на основе данных РФА и картирования распределения элементов по окисленной поверхности (EDX) отмечено несколько более высокая стойкость к окислению керамики (ZrB2-HfB2)-30 об.% SiC. В рамках проведенных исследований разработан технологически простой и не требующий долговременной высокотемпературной обработки способ получения керамики из высокодисперсных порошков ферритов. На примере наноразмерного оксида InFeZnO4 показано, что для получения плотного керамического материала на его основе достаточно четырехчасового обжига на воздухе при температуре 1350oС. В результате испытаний установлено, что число микротвердости керамики InFeZnO4 по Виккерсу равно 2.1 ГПа. Этот результат позволяет отнести ее к материалам со средней твердостью. Рассчитаны и проанализированы значения теоретических критериев, применяющихся при прогнозировании радиационно-стимулированных изменений в составе и структуре материала. Полученные данные позволяют предположить, что облучение InFeZnO4 тяжелыми ионами высоких энергий при высоком ионном флюенсе (>1013 нуклон/см2) будет способствовать его частичной аморфизации. Получены лабораторные образцы нового композитного на основе тонкого базальтового волокна с наполнителем в виде измельченной магматической породы габбро месторождения Наволокское (Кондопожский район, республика Карелия). Связующим компонентом являлось калиевое жидкое стекло. Химический состав образцов был определен на спектрометрическом комплексе «Спектр-1». С помощью КФХМ на базе информационно вычислительного комплекса СЕЛЕКТОР-С [8] был рассчитан минеральный состав породы, который дал возможность оценить пригодность породы в качестве сырья для изготовления опытных образцов, а также оценить значения технологических параметров для их получения (максимальную температуру спекания и температурно-временной профиль процесса сушки и высокотемпературной обработки). НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И НОВИЗНА ДОСТИГНУТЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ: При выполнении работы в отчетный период был получен ряд значимых результатов, способствующих развитию решению актуальных задач с использованием пучков заряженных частиц комплекса NICA. Методы получения аэрогелей на основе диоксида германия и смешанных аэрогелей SiO2–B2O3 предложены впервые. Полученные данные обеспечивают возможность получения не только принципиально новых типов высокопористых наноматериалов, но и вносят существенный вклад в золь-гель химию неорганических оксидных систем. В ходе выполнения работ определены условия синтеза наноразмерных и кристаллических многокомпонентых титанатов РЗЭ на основе титаната гадолиния. Разработан метод изготовления ультравысокотемпературной керамики состава ZrB2-30 vol.%SiC и (ZrB2-HfB2)-30 vol.% SiC с применением двухступенчатого реакционного искрового плазменного спекания композиционных порошков ZrB2(HfB2)-(SiO2-C) при температурах 1400 и 1800С с выдержкой при наибольшей температуре в течение 30 мин. Установлено, что данный режим независимо от состава позволяет получить керамические материалы с относительной плотностью 92-93%. Установлена электропроводность полученных материалов: 2.79·106 (ZrB2-SiC) и 1.87·106 См/м (ZrB2-HfB2-SiC). Изучена стойкость изготовленных образцов к окислению при умеренных температурах (до 1200С). Впервые синтезирован наноразмерный порошок InFeZnO4 и предложен способ изготовления керамики на его основе. Для однофазного InFeZnO4 впервые определены значения энергий ширины запрещенной зоны в предположении прямых и непрямых переходов. Впервые изучена микротвердость керамики InFeZnO4 по Виккерсу и спрогнозированы изменения, происходящие в исследуемом керамическом материале при его облучении тяжелыми высокоэнергетическими ионами. Значимость достигнутых результатов определяется тем, что разработанный способ получения керамики относится к энергосберегающим, так как не требует проведения многоступенчатой, длительной высокотемпературной обработки. Кроме того, новые данные о потенциальной радиационной стойкости, механических и электрофизических свойствах InFeZnO4 могут служить в качестве опорных при создании новых функциональных материалов, устойчивых к ионизирующему излучению. Показана принципиальная возможность получения новых композитных функциональных материалов на основе минеральных (базальтовых) волокон с наполнителем в виде измельченной магматической горной породы габбро-базальтовой группы с калиевым жидким стеклом в виде связующего компонента. Предварительно проведенное КФХМ технологических процессов получения нового материала показало, что существует температурный интервал спекания, когда на поверхности породы появляется расплав (3÷6%), а волокно остается в твердофазном состоянии, чему также способствует переход жидкого стекла при нагреве в легкоплавкую полевошпатную фазу, а также присутствие в измельченной исходной породе плагиоклазов. Получен композитный материал с идеальной совместимостью основы и наполнителя, обеспечивающей высокую механическую прочность и химическую стойкость, а также термическую устойчивость в широком интервале температур. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ: Полученные материалы, а также результаты изучения их характеристик и свойств, оценка возможности их практического применения имеют важное значение во многих областях науки и техники, таких как: - высокопористые аэрогели на основе оксида германия могут быть использованы в качестве люминесцентных и каталитических материалов; бинарные аэрогели SiO2–B2O3 являются перспективными компонентами систем защиты от нейтронного излучения (эпитепловые нейтроны), в частности, при реализации методов боронейтронзахватной терапии онкологических заболеваний: оптически прозрачные аэрогели могут быть использованы в составе систем детектирования высокоэнергетических элементарных частиц и ядер. - иммобилизация радиоактивных отходов, термобарьерные покрытия, электролиты ТОТЭ, люминофоры, диэлектрики. - разработка перспективных моделей высокоскоростных летательных аппаратов, предназначенных для освоения космического пространства, керамических элементов двигательных установок, компонентов устройств альтернативной энергетики, материалов для других высокотемпературных применений. - авиационная промышленность и ракетостроение; автомобилестроение; атомная энергетика; вагоностроение; космическая промышленность; криогенная техника; общее машиностроение и др. Разработанные методики получения керамических материалов могут быть положены в основу универсальной энергосберегающей технологии изготовления плотной тонкозернистой керамики из нанокристаллических порошков ферритов. Результаты предварительной оценки радиационной стойкости и новые данные о механических и электрофизических свойствах InFeZnO4 представляют интерес при выборе условий для проведения испытаний на радиационную устойчивость этого оксида, а также при разработке радиационно-модифицированных керамических материалов и покрытий на его основе.