Thermal Conductivity of Fine-Grained Nd:YAG/SiC Composite Ceramics for Inert Fuel Matrices

L. S. Alekseeva; Алексеева Л. С.; A. V. Nokhrin; Нохрин А. В.; A. I. Orlova; Орлова А. И.; M. S. Boldin; Болдин М. С.; E. A. Lantsev; Ланцев Е. А.; A. A. Murashov; Мурашов А. А.; V. N. Chuvil’deev; Чувильдеев В. Н.; A. A. Moskvichev; Москвичев А. А.

doi:10.31857/S0002337X23060027

Изучение теплопроводности мелкозернистой композиционной керамики YAG:Nd/SiC для инертных топливных матриц

Авторы: Алексеева Л.С.¹, Нохрин А.В.², Орлова А.И.¹, Болдин М.С.², Ланцев Е.А.², Мурашов А.А.¹, Чувильдеев В.Н.¹, Москвичев А.А.³
Учреждения:
1. Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
2. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
3. Институт проблем машиностроения Российской академии наук
Выпуск: Том 59, № 6 (2023)
Страницы: 689-695
Раздел: Статьи
URL: https://ogarev-online.ru/0002-337X/article/view/140203
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X23060027
EDN: https://elibrary.ru/EKEGJU
ID: 140203

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Изучены теплофизические свойства (теплоемкость, температуропроводность, теплопроводность) образцов мелкозернистых керамических композитов на основе иттрий-алюминиевого граната Y_2.5Nd_0.5Al₅O₁₂ (YAG:Nd) с различным содержанием карбида кремния α-SiC. Показано, что коэффициент теплопроводности композитов YAG:Nd/SiC превосходит аналогичные характеристики для композитов CeO₂/SiC и YAG:Nd/Ni. Установлено, что высокие значения коэффициента теплопроводности обусловлены формированием зеренной микроструктуры с бимодальным распределением зерен по размерам, в которой крупные зерна граната окружены областями с повышенным содержанием высокотеплопроводящей фазы α-SiC.

Ключевые слова

керамика, гранат, композит, теплопроводность

Список литературы

O’Brien R.C., Ambrosi R.M., Bannister N.P., Howe S., Atkinson H. Spark Plasma Sintering of Simulated Radioisotope Materials within Tungsten Cermets // J. Nucl. Mater. 2009. V. 39. P. 108–113. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2009.05.012
O’Brien R.C., Jerred N.D. Spark Plasma Sintering of W-UO2 Cermets // J. Nucl. Mater. 2013. V. 433. P. 50–54. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.08.044
Williams H.R., Ning H., Reece M.J., Ambrosi R.M., Bannister N.P., Stephenson K. Metal Matrix Composite Fuel for Space Radioisotope Energy Sources // J. Nucl. Mater. 2013. V. 433. № 1–3. P. 116–123. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.09.030
Kamel N., Aϊt-Amar H., Kamel Z., Souami N., Telmoune S., Ouarezki S. On the Basic Properties of an Iron-Based Simulated Cermet Inert Matrix Fuel, Synthesized by a Dry Route in Oxidizing Conditions // Prog. Nucl. Energy. 2006. V. 48. P. 590–598. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2006.03.004
Gregg D.J., Karatchevtseva I., Triani G., Lumpkin G.R., Vance E.R. The Thermophysical Properties of Calcium and Barium Zirconium Phosphate // J. Nucl. Mater. 2013. V. 441. № 1–3. P. 203–210. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2013.05.075
Ryu H.J., Lee Y.W., Cha S.I., Hong S.H. Sintering Behaviour and Microstructures of Carbides and Nitrides for the Inert Matrix Fuel by Spark Plasma Sintering // J. Nucl. Mater. 2006. V. 352. P. 341–348. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2006.02.089
Raison P.E., Haire R.G. Structural Investigation of the Pseudo-Ternary System AmO2–Cm2O3–ZrO2 as Potential Materials for Transmutation // J. Nucl. Mater. 2003. V. 320. № 1–2. P. 31–35. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(03)00165-X
Potanina E., Golovkina L., Orlova A., Nokhrin A., Boldin M., Sakharov N. Lanthanide (Nd, Gd) Compounds with Garnet and Monazite Structures. Powders Synthesis by “Wet” Chemistry to Sintering Ceramics by Spark Plasma Sintering // J. Nucl. Mater. 2016. V. 473. P. 93–98. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.02.014
Лившиц Т.С. Изоморфизм актиноидов и РЗЭ в синтетических ферритных гранатах // Геология рудных месторождений. 2010. Т. 52. № 1. С. 54–64.
Томилин С.В., Лизин А.А., Лукиных А.Н., Лившиц Т.С. Радиационная и химическая устойчивость алюмоиттриевого граната // Радиохимия. 2011. Т. 53. № 2. С. 162–165.
Лившиц Т.С., Лизин А.А., Джанг Дж., Юинг Р.Ч. Аморфизация редкоземельных алюминатных гранатов при ионном облучении и распаде примеси 244Cm // Геология руд. месторождений. 2010. Т. 52. № 4. С. 297–309.
Stockmeier M., Sakwe S.A., Hens P., Wellmann P.J., Hock R., Magerl A. Thermal Expansion Coefficients of 6H Silicon Carbide // Mater. Sci. Forum. 2009. V. 600–603. P. 517–520. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.600-603.517
Wang J., Xu F., Wheatley R.J., Neate N.C., Hou X. Yb3+ Doping Effects on Thermal Conductivity and Thermal Expansion of Yttrium Aluminium Garnet // Ceram. Int. 2016. V. 42. № 12. P. 14228–14235. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.06.034
Chuvil’deev V.N., Boldin M.S., Nokhrin A.V., Popov A.A. Advanced Materials Obtained by Spark Plasma Sintering // Acta Astronaut. 2017. V. 135. P. 192–197. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.09.002
Алексеева Л.С., Нохрин А.В., Каразанов К.О., Орлова А.И., Болдин М.С., Ланцев Е.А., Мурашов А.А., Чувильдеев В.Н. Исследование механических свойств и стойкости к термоудару мелкозернистой керамики YAG:Nd/SiC // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 2. С. 209–214. https://doi.org/10.1134/S0020168522020017
Golovkina L.S., Orlova A.I., Chuvil’deev V.N., Boldin M.S., Lantcev E.A., Nokhrin A.V., Sakharov N.V., Zelenov A.Yu. Spark Plasma Sintering of High-Density Fine-Grained Y2.5Nd0.5Al5O12 + SiC Composite Ceramics // Mater. Res. Bull. 2018. V. 103. P. 211–215. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2018.03.042
Schneider G.A. Thermal Shock Criteria for Ceramics // Ceram. Int. 1991. V. 17. P. 325–333.
Bao Y.W., Wang X.H., Zhang H.B., Zhou Y.C. Thermal Shock Behavior of Ti3AlC2 between 200°C and 1300°C // J. Eur. Ceram. Soc. 2005. V. 25. P. 3367–3374.
Tokita M. Progress of Spark Plasma Sintering (SPS) Method, Systems, Ceramics Applications and Industrializations // Ceramics. 2021. V. 4. № 2. P. 160–198. https://doi.org/10.3390/ceramics4020014
Orlova A.I. Crystalline Phosphates for HLW Immobilization – Composition, Structure, Properties and Production of Ceramics. Spark Plasma Sintering as a Promising Sintering Technology // J. Nucl. Mater. 2022. V. 559. P. 153407. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153407
Orlova A.I., Ojovan M.I. Ceramic Mineral Waste-Forms for Nuclear Waste Immobilization // Materials. 2019. V. 12. № 16. P. 2638. https://doi.org/10.3390/ma12162638
Михайлов Д.А., Потанина Е.А., Орлова А.И., Нохрин А.В., Болдин М.С., Белкин О.А., Сахаров Н.В., Скуратов В.А., Кирилкин Н.С., Чувильдеев В.Н. Исследование радиационной и гидролитической устойчивости керамики на основе фосфата Y0.95Gd0.05PO4 со структурой ксенотима // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 7. С. 796–802. https://doi.org/10.31857/S0002337X21070125
Mikhailov D., Orlova A., Malanina N., Nokhrin A.V., Potanina E.A., Chuvil’deev V.N., Boldin M.S., Sakharov N.V., Belkin O.A., Kalenova M.Yu., Lantcev E.A. A Study of Fine-Grained Ceramics Based on Complex Oxides ZrO2-Ln2O3 (Ln = Sm, Yb) Obtained by Spark Plasma Sintering for Inert Matrix Fuel // Ceram. Int. 2018. V. 44. P. 18595–18608. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.07.084
Alekseeva L., Nokhrin A., Boldin M., Lantsev E., Murashov A., Orlova A., Chuvil’deev V. Study of the Hydrolytic Stability of Fine-Grained Ceramics Based on Y2.5Nd0.5Al5O12 Oxide with a Garnet Structure under Hydrothermal Conditions // Materials. 2021. V. 14. № 9. P. 2152. https://doi.org/10.3390/ma14092152
Hargman D.L. MATPRO-Version11, A Handbook of Materials Properties for Use in the Analysis of Light Water Reactor Fuel Rod Behavior, Idaho National Engineering Lab, 1981.
Alekseeva L., Nokhrin A., Boldin M., Lantsev E., Orlova A., Chuvil’deev V., Sakharov N. Fabrication of Fine-Grained CeO2-SiC Ceramics for Inert Fuel Matrices by Spark Plasma Sintering // J. Nucl. Mater. 2020. V. 539. P. 152225. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152225
Golovkina L.S., Orlova A.I., Boldin M.S., Sakharov N.V., Chuvil’deev V.N., Konings R., Staicu D. Development of Composite Ceramic Materials with Improved Thermal Conductivity and Plasticity Based on Garnet-Type Oxides // J. Nucl. Mater. 2017. V. 489. P. 158–163. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.03.031