Труды КНЦ (Технические науки вып. 1/2024(15))

Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2024. Т. 15, № 1. С. 111-118. Transactions of the Kola Science Centre of r A s . Series: Engineering Sciences. 2024. Vol. 15, No. 1. P. 111-118. For citation: Vinogradov V. Yu., Kalinkin A. M. Zirconium containing functional materials based on natural and technogenic mineral raw materials of the Murmansk region // Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2024. Vol. 15, No. 1. P. 111-118. doi:10.37614/2949-1215.2024.15.1.017. Введение В настоящее время керамики на основе соединений циркония за счёт сочетания уникальных свойств находят широкое применение во многих высокотехнологических отраслях промышленности. Такими соединениями, к примеру, являются циркон и цирконаты редкоземельных элементов (РЗЭ) [1]. Соединения цирконовой группы с общей формулой ATO 4 , где A — лантаноиды, актиноиды, Zr; T — As, P, Si или V, обладающие тетрагональной структурой [2], способны аккумулировать актиноиды, лантаноиды и другие редкие элементы, они также чрезвычайно устойчивы и долговечны за счёт очень низкой растворимости в разнообразных геохимических условиях [3]. Природный и синтетический циркон обладает высокой химической инертностью, очень низким коэффициентом теплопроводности (35 Вт/(мК) при 1000 °C), низким коэффициентом линейного теплового расширения (4,1 10-6 °C -1 в интервале температур 25-1400 °C) [4]. При исследовании степени аккумулирования актиноидов минеральными матрицами на основе циркона в качестве изоморфного заместителя плутония применяется церий из-за близости ионных радиусов Pu4+ (0,96 А) и Се4+ (0,97 А) [5]. На основе предложенного в работе [ 6 ] метода ранее мы синтезировали церийсодержащие твёрдые растворы на основе циркона, используя твердофазный подход с применением механоактивации (МА). Такие твёрдые растворы были синтезированы в результате термообработки МА-смесей оксида циркония и гидратированного аморфного кремнезёма с добавкой оксида церия, отвечающих мольным отношениям SiО 2 :ZrО 2 :CeО 2 , равным 1,00:0,95:0,05 [7] и 1,00:(0,90-1,20):0,10 [ 8 ]. Показано, что при прокаливании механоактивированных смесей в интервале температур 1200­ 1600 °С наряду с основной фазой, цирконом, включающим аккумулированный церий, продуктом синтеза является также оксид церия (церианит). Ещё одной перспективной группой цирконийсодержащих соединений являются цирконаты РЗЭ, которые имеют общую формулу Ln 2 Zr 2 O 7 (Ln — катионы РЗЭ, M — катионы металлов подгруппы IVB: Ti, Zr, Hf). По своим структурно-химическим характеристикам цирконат гадолиния Gd 2 Zr 2 O 7 занимает особое положение в ряду цирконатов РЗЭ [9], так как обладает большим перечнем полезных с практической точки зрения характеристик: высокой термической стабильностью, химической стойкостью, высоким коэффициентом термического расширения (11,0910-6 K-1) [10], высокой температурой плавления (2570 °С [11]), низкой теплопроводностью (1,5-2,0 Вт/(мК) [12]), большой ионной проводимостью (>110 -3 См/см при 800 °С [13]), высокой скоростью спекания и высокой стойкостью к дефектам [14]. Обычно для синтеза наноразмерных керамик цирконатов РЗЭ, включая Gd 2 Zr 2 O 7 , применяют различные методы «мокрой химии»: золь-гель метод, сольвотермический и гидротермальный методы, метод соосаждения гидроксидов и т. д. [9]. По сравнению с ними твёрдофазный метод синтеза Gd 2 Zr 2 O 7 значительно проще и перспективнее, так как не требует дорогих реагентов и последующей утилизации образовавшихся в ходе синтеза отходов [15]. Использование центробежно-планетарной мельницы АГО-2 в твёрдофазном синтезе значительно упрощает данный процесс по сравнению с другими планетарными мельницами (например, Активатор-2SL) за счёт высокого КПД мельницы [16]. В ранее опубликованной работе [17] твёрдофазным способом с применением МА стехиометрической смеси реактивных Gd 2 O 3 и ZrО 2 впервые был синтезирован нанокристаллический цирконат гадолиния Gd 2 Zr 2 O 7 при пониженных температурах. Целью настоящей работы является изучение возможности использования минерального и техногенного сырья Мурманской области для синтеза цирконийсодержащих функциональных материалов — циркона, содержащего изоморфную примесь церия, и нанокристаллического цирконата гадолиния. М атериалы и методы Твёрдофазный синтез проводили с использованием оксида циркония с удельной поверхностью ^уд) 6,9 м 2 /г, полученного из бадделеитового концентрата (БК) марки «ПБ-ХОМ» ОАО «Ковдорский ГОК» с применением прокаливания предварительно механоактивированной (МА) смеси БК с карбонатом © Виноградов В. Ю., Калинкин А. М., 2024 112