Труды КНЦ (Технические науки вып.1/2023(14))

Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14, № 1. С. 27-35. Transactions of the Kala Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2023. Vol. 14, No. 1. P. 27-35. Посвящается 300-летию Санкт-Петербургского государственного университета Введение Настоящий обзор, как и выполненные ранее [1-3], продолжает систематическое рассмотрение последних экспериментальных данных о термодинамических свойствах и процессах испарения керамики на основе оксидов гафния и редкоземельных элементов, которые изучены методом высокотемпературной масс-спектрометрии до температур 3000 К. Несмотря на то что актуальность данных исследований обсуждалась неоднократно, необходимо отметить, что она продиктована широким спектром применения материалов на основе рассматриваемых оксидов в самых разнообразных областях, таких как металлургия, производство стекла и стеклокерамики, а также разработка защитных огнеупоров и катализ. Исключительной особенностью редкоземельных металлов являются специфические спектры излучения ионов, состоящие из узких полос в характерных спектральных участках, что позволяет разрабатывать на их основе люминофоры с заданными спектрами излучения. Особенно следует подчеркнуть потенциальные возможности использования редкоземельных оксидов в атомной промышленности и высокотемпературных технологиях [4, 5]. Благодаря высокой способности самария, европия и в особенности гадолиния к поглощению нейтронов, эти металлы и их оксиды весьма перспективны для разработки регулирующих стержней ядерных реакторов, а также для захоронения ядерных отходов, например, в сочетании с оксидом гафния, также обладающим высоким коэффициентом поглощения нейтронов, или с оксидом циркония. Целью данной работы являлось обобщ ение результатов, полученных в последние годы о высокотемпературном термодинамическом описании керамики на основе оксидов гафния и редкоземельных элементов, представляющей значительный интерес для дальнейшего развития получения и прогнозирования материалов с заданными физико-химическими свойствами, в частности, для авиационной и космической техники. Результаты Исследование бинарных систем Gd 2 OsrZrO 2 и Gd 2 OsrHfO 2 Повышение эксплуатационных характеристик жаропрочных материалов остается актуальным, поэтому одним из важных направлений исследований является дальнейшее развитие огнеупорной керамики. Перспективным материалом является гадолинийсодержащая керамика, использование которой возможно также для решения проблемы захоронения радиоактивных отходов. Термодинамические свойства и процессы парообразования систем Gd 2 O 3 -HfO 2 и Gd 2 O 3 -ZrO 2 исследованы методом высокотемпературной эффузионной масс-спектрометрии Кнудсена (KEMS) [6]. Для масс-спектрометрического исследования паровой фазы над этими системами были приготовлены один образец в системе Gd 2 O 3 -HfO 2 и два образца в системах Gd 2 O 3 -ZrO 2 . Для синтеза этих образцов были взяты чистые оксиды гадолиния, циркония и гафния; чистоту реагентов и фазовый состав синтезированных образцов определяли рентгенофлуоресцентным и дифракционным методами. Получены данные о составе и парциальных давлениях паров над образцами, синтезированными спеканием чистых оксидов. Пары GdO, ZrO, ZrO 2 , HfO и атомарного кислорода O идентифицированы при температуре 2600 К. Определены активности компонентов и избыточные энергии Гиббса в исследуемых бинарных системах. Показано, что в обеих рассматриваемых системах наблюдались значительные отрицательные отклонения от идеального поведения. На рисунках 1-4 представлены результаты изучения термодинамических свойств бинарных систем на основе указанных оксидов. Концентрационные зависимости активностей Gd 2 O 3 и ZrO 2 в системе Gd 2 O 3 -ZrO 2 при температуре 2600 К, полученные впервые в настоящей работе, представлены на рис. 1. В расчетах использовали уравнения Редлиха — Кистера (1, 2): где B, C, и D — те же подгоночные коэффициенты, что и в уравнении (1), удовлетворяющие уравнению Гиббса — Дюгема. X Gd2O3 где Xi — молярная доля компонента i; B, C, и D — подгоночные коэффициенты. (1) (2) © Столярова В. Л., Ворожцов В. А., Соколова Т. В., 2023 28