Физико-химические проблемы синтеза, исследования, обработки и применения многокомпонентных стеклосодержащих функциональных материалов.

Развитие теоретических основ управляемого синтеза и обработки мультикомпонентных некристаллических материалов различного состава и строения, экспериментальное исследование и моделирование их строения, апробирование применения. Совершенствование матричных материалов для иммобилизации радиоактивных отходов на основе экспериментального исследования стеклообразующих систем в расплавленном состоянии и на контакте "металл-стекло", "металл-стеклокерамика". Апробирование электрофизических методов создания нанопористых слоев на поверхности стеклосодержащих материалов и получение функциональных пористых и градиентных материалов для применений в электронике и химии. Синтез углеродсодержащих материалов заданных модификаций в наноструктурированном состоянии и апробирование их применения для синтеза и упрочнения фунциональных стеклосодержащих материалов. Основными объектами исследований будут некристаллические материалы, полученные на основе стеклообразующих систем с использованием добавок, оказывающих влияние на структуру и физико-химические свойства синтезируемых материалов. При реализации темы будут разработаны и усовершенствованы методы синтеза и обработки функциональных материалов с улучшенными, адаптированными или оптимизированными физико-химическими свойствами. Получение новых данных о строении и свойствах оксидных стекол представляет интерес для фундаментальной науки при создании структурных моделей их строения и имеет высокий потенциал практического использования в различных областях. Результаты экспериментальных исследований стекол и расплавов различных систем и материалов, синтезированных на их основе, являются основой для развития модельных представлений о некристаллическом состоянии вещества, в целом, и о механизмах изменения структуры оксидных расплавов и стекол в зависимости от их состава, термической истории стекла, кристаллизации и других факторов. Закономерности формирования структуры стеклообразующих расплавов являются необходимыми для развития теоретических представлений о механизмах стеклования оксидных расплавов, а также служат необходимым базисом для изучения более сложных многокомпонентных систем. Необходимость постоянной переработки и хранения больших объемов радиоактивных отходов и возникающие при этом проблемы определяет постоянный интерес к поиску новых вариантов матричных материалов для иммобилизации радиоактивных отходов различного состава и генезиса, исследованию их структуры и свойств и совершенствованию способов их синтеза и применения. Определение оптимального состава матричных материалов напрямую связано с решением проблем повышения их механической, термической и химической устойчивости при длительной эксплуатации в экстремальных условиях. Формирование устойчивых структурных единиц стекла и кристаллических фаз обеспечит более высокую стабильность получаемых стеклокристаллических материалов и улучшенную иммобилизационную способность. Термическая и химическая стабильность матричных материалов на границе с другими материалами, используемыми для создания условий для их плавления, охлаждения и длительного хранения, определяют эффективность применения данных матричных материалов в процессе иммобилизации РАО. В задачи программы входят: 1. Получение новых данные о строении и свойствах многокомпонентных оксидных стекол, представляющих интерес для фундаментальной науки и имеющих высокий потенциал практического использования в различных областях промышленности и техники. Структурная интерпретация данных о синтезированных стеклах, получение новых фундаментальных знаний о влияние добавок оксидов переходных и редкоземельных элементов на модификацию катион-кислородного каркаса и строение многокомпонетных боратных, боросиликатных, борогерманатных и алюмоборосиликатных стекол. 2. Исследование процессов плавления, стеклования и кристаллизации мультикомпонентных стеклосодержащих материалов боросиликатных систем, применяемых при иммобилизации радиоактивных отходов, в т.ч. изучение поведения имитаторов радиоактивных элементов в стеклообразующих системах, моделирующих матрицы для утилизации РАО. Изучение процессов, протекающих в матричных материалах, дополнительно подвергнутых термическому воздействию при контакте с материалами, используемыми для изготовления плавильного оборудования и металлических контейнеров. Определение факторов, влияющих на термостабильность матричных материалов и процессы коррозии металлических материалов. 3. Изучение физико-химических основ плазмохимического травления материалов во фтор-содержащих плазмах с добавками инертных газов. Определение кинетических закономерностей процесса плазмохимического травления материалов в различных газовых смесях и разработка, на этой основе, высокопроизводительных процессов плазмохимического травления различных материалов с вертикальным профилем травления и гладкими стенками получаемых структур. 4 Изучение принципиальной возможности использования ранее синтезированного методом карботермического синтеза в автономной защитной атмосфере волокнистого карбида кремния 3С-SiC(β) модификации для создания функциональных стеклокерамических материалов. Определение технологических параметров карботермического синтеза, оказывающих влияния на структурных и размерных особенности конечного продукта, получение опытных образцов самосвязанной стеклокерамики и сплавов, армированных карбидом кремния. 5. Исследование влияния свойств синтетического и природного сырья на физико-химические характеристики стёкол и стеклосодержащие материалы, разработка новых технологий и технологического оборудования для очистки сырья и синтеза некристаллических материалов на основе природного сырья высокой степени очистки (неорганические стекла, матричные стеклосодержащие материалы, кварцевые стёкла, стеклокерамика). При выполнении экспериментальных исследований по теме будут получены новые данные о структуре и свойствах стекол и расплавов различных систем и материалов, синтезированных на их основе. Эти данные будут использованы для развития модельных представлений о некристаллическом состоянии вещества, а также механизмах изменения структуры оксидных расплавов и стекол в процессе стеклования, плавления и кристаллизации в зависимости от их химического состава, термической истории стекла, кристаллизации и других факторов. По результатам обобщения всех полученных экспериментальных данных будут сформулированы положения, уточняющие модель, описывающую строение и поведение боросиликатных систем широкого спектра составов при плавлении, стекловании и кристаллизации. В структуре матричных материалов, получаемых для иммобилизации радиоактивных отходов на основе модельных боросиликатных систем, будут определены особенности распределения химических элементов между структурными единицами стеклосодержащей составляющей и кристаллическими фазами. Будут установлены кристаллические фазы, образующиеся с участием радиоактивных изотопов (на примере их имитаторов) и выступающие в роли дополнительных иммобилизирующих элементов структуры стеклокерамики. Будут изучены процессы, протекающих на контакте матричных материалов с материалами, используемыми для изготовления плавильного оборудования и металлических контейнеров. Определение факторов, влияющих на термостабильность матричных материалов и процессы коррозии металлических материалов, подвергнутых дополнительному термическому воздействию при контакте. Будет разработана методика высокопроизводительного процесса одностадийного плазмохимического травления поверхности стеклосодержащих материалов с получением нанопористых слоев травления с вертикальным профилем и гладкими стенками получаемых структур. Будут установлены кинетические закономерности данного процесса в различных газовых смесях и разработаны рекомендации по применению данного метода при создании функциональных некристаллических нанопористых и градиентных материалов различного назначения. С использованием ранее волокнистого карбида кремния 3С-SiC(β) модификации, синтезированного методом карботермического синтеза в автономной защитной атмосфере, будут получены образцы функциональных стеклокерамических материалов. Будут установлены значения технологических параметров карботермического синтеза, обеспечивающие необходимые структурные и размерные характеристики самосвязанной стеклокерамики, выступающей в качестве конечного продукта. Будут получены данные о влиянии свойств синтетического и природного сырья на физико-химические характеристики стёкол и стеклосодержащие материалы, синтезируемых на основе этого сырья, выполнены работы по разработке новых технологий и технологического оборудования для очистки природного сырья и синтеза на его основе некристаллических материалов (неорганические стекла, матричные стеклосодержащие материалы, кварцевые стёкла, стеклокерамика).