Синтез Gd2Zr2O7 из гидроксидного прекурсора с применением механоактивации Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.1.57-59 УДК 546.650:546.831.4:54.36:53.091

В. Ю. Виноградов

Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, г. Апатиты, Россия

СИНТЕЗ Gd2Zr2O7 ИЗ ГИДРОКСИДНОГО ПРЕКУРСОРА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕХАНОАКТИВАЦИИ

Аннотация. Описан синтез нанокристаллического цирконата гадолиния Gd2Zr2O7 из гидроксидного прекурсора c применением механоактивации смеси гидроксидов циркония и гадолиния, полученной обратным соосаждением.

Ключевые слова: синтез из гидроксидного прекурсора, цирконат гадолиния, нанокристаллы, механоактивация.

V. Yu. Vinogradov

Apatity Branch of the Murmansk State Technical University, Apatity, Russia

SYNTHESIS OF Gd2Z^ FROM HYDROXIDE PRECURSOR USING MECHANICAL ACTIVATION

Abstract.The synthesis of nanocrystalline gadolinium zirconate Gd2Zr2O7 from a hydroxide precursor using mechanical activation of zirconium and gadolinium hydroxides mixture obtained by reverse precipitation, has been revealed.

Keywords: synthesis from hydroxide precursor, gadolinium zirconate, nanocrystals, mechanical activation.

Цирконат гадолиния Gd2Zr2O? является перспективным для использования в термобарьерных покрытиях, для создания матриц для утилизации высокорадиоактивных отходов, в качестве теплоизоляторов, ионных проводников и нейтронных поглотителей [1-3]. Изучен процесс синтеза прекурсора цирконата гадолиния Gd2Zr2O7 методом обратного осаждения с последующим прокаливанием. Основными достоинствами метода соосаждения является простота, воспроизводимость результатов, отсутствие необходимости в использовании органических реагентов. Стоит отметить, что данный метод чувствителен к изменению внешних условий (скорость перемешивания, значение pH), вследствие чего при дальнейшем прокаливании не всегда получаются однофазные продукты. По сравнению с керамикой, обладающей микрокристаллической структурой, наноразмерная керамика на основе цирконатов РЗЭ обладает повышенной устойчивостью к радиации, пониженной теплопроводностью и более высокой кислород-ионной проводимостью [4].

Цель работы — изучение влияния предварительной механоактивации (МА) на синтез цирконата гадолиния из гидроксидного прекурсора и получение Gd2Zr2O7 в нанокристаллическом состоянии.

Механоактивация проводилась в центробежно-планетарной мельнице АГО-2 при центробежном факторе 20 g в барабане, футерованном диоксидом циркония, с использованием 150 г 5 мм шаров из ZrO2. Соотношение шары : загрузка составило 20 : 1. Прокаливание проводилось на воздухе при различных температурах в диапазоне от 600 до 1200 C в течение 3 ч. Механоактивированный прекурсор далее будет называться МП, прекурсор без МА — исходный прекурсор (ИП).

Процессы, протекающие при нагревании механоактивированной и исходной смеси оксидов, исследованы с помощью методов рентгенофазового, термического анализов и ИК-спектроскопии.

В соответствии с данными РФА (рис. 1), ИП и МП являются практически аморфными при 600 C. При температурах прокаливания в области 700-1200 C МП, очевидно, демонстрирует более высокую степень кристалличности по сравнению с ИП, что указывает на то, что МА прекурсора ускоряет кристаллизацию Gd2Zr2O?. Предполагается, что ускоренная кристаллизация Gd2Zr2O7 из МП начинается в области 700-750 C одновременно с разложением карбонатных групп.

Рис. 1. Рентгенограмма прекурсора без МА (а) и механически активированного прекурсора (б) после термической обработки при

различных температурах Fig. 1. XRD patterns of the precursor

without mechanical activation (a) and mechanically activated precursor (б) after heat treatment at different temperatures

На основании данных рентгеновской дифракции были определены размеры кристаллитов Dxrd Gd2Zr2O7, полученных прокаливанием ИП и МП по методу Шеррера (рис. 2). Dxrd увеличивается при росте температуры прокаливания в области 900-1200 оС с 10 до 48 нм и с 17 до 56 нм для ИП и МП соответственно, что свидетельствует о нанокристаллическом характере полученных образцов цирконата гадолиния.

Рис. 2. Эффективный размер кристаллитов Dxrd Gd2Zr2O7 после прокаливания прекурсора без МА (!) и механически активированного прекурсора (2) при различных температурах Fig. 2. The effective size of the crystallites Dxrd Gd2Zr2O7 after precursor calcining without mechanical activation (!) and mechanically activated precursor (2) at different temperatures

Следует отметить, что удельная поверхность порошков Gd2Zr2O7, полученных на основе МП, в 4-9 раз превышает таковую для аналогичных образцов цирконата гадолиния, синтезированного из ИП. Это объясняется более

а б

I—■—I—■—I—1—I—■—I—■—I—1—I I—1—I—■—I—'—I—1—I—■—I—<—I

10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 50 60 70 20 . град 20 , град

зчо*с 1 июч: 11 «re чоогс Температура прокалшання. С

высокой степенью гомогенности МП и, как следствие, более равномерной кристаллицацией Gd2Zr2O7 при термической обработке. Повышенная удельная поверхность порошков цирконатов РЗЭ, в частности, способствует получению более устойчивых и долговечных термобарьерных покрытий на их основе [5].

Автор благодарит своего научного руководителя Калинкина А. М. за помощь в обработке и интерпретации данных, а также сотрудников аналитического отдела ИХТРЭМС за проведение анализов образцов.

Литература

1. Закономерности образования нанокристаллических структур в системах Ln [2] O [3] — Mo [2] (Ln = Gd, Dy; M = Zr, Hf) / В. В. Попов и др// Журнал неорган. химии. 2011. Т. 56, № 10. С. 1617-1623.

2. Севастьянов В. Г., Симоненко Е. П., Игнатов Н. А. и др. // Композиты и наноструктуры. 2009. № 1. С. 50-58.

3. Brykala U., Diduszko R., Jach K., Jagielski J. // Ceram. Int. 2015. Vol. 41. P. 2015-2021.

4. Zhang J. M., Lian J., Fuentes A. F., Zhang F. X., Lang M., Lu F. Y., Ewing R.C. // Appl. Phys. Lett. 2009. Vol. 94. 243110.

5. Zhou H., Yi D., Yu Z., Xiao L. Preparation and thermophysical properties of CeO2 doped La2Zr2O7 ceramic for thermal barrier coatings // J. Alloys Compd. 2007. Vol. 438. P. 217-221.

Сведения об авторе Виноградов Владимир Юрьевич

студент, Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, г. Апатиты, vinogradov-vu@yandex.ru

Vinogradov Vladimir Yurievich

Student, Apatity Branch of the Murmansk State Technical University, Apatity, vinogradov-vu@yandex.ru

DOI: 10.25702ZKSC.2307-5252.2019.10.1.59-64 УДК 666.3-127; 546.41

Д. Р. Хайрутдинова, О. С. Антонова, М. А. Гольдберг, А. А. Ашмарин, С. В. Смирнов, П. А. Крохичева

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, г. Москва, Россия

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУТКУРЫ И СВОЙСТВ КОСТНЫХ ЦЕМЕНТОВ В СИСТЕМЕ ФОСФАТ КАЛЬЦИЯ — ОКСИД КАЛЬЦИЯ

Аннотация. Благодаря формированию смешенного кальциймагниевого фосфата и присутствия оксида магния, затворение цементов происходит с жидкостями, характеризующимися рН 3,5-5,3. Были исследованы фазовый состав, микроструктура и механические свойства цементов в зависимости от рН. Благодаря оптимизации состава цементов, были получены материалы с прочностью до 40 МПа и временем схватывания 10-12 мин. Цементы с жидкостями с рН, близкими к нейтральным, перспективны в качестве носителей лекарственных средств.

Ключевые слова: костные цементы, фосфаты кальция, оксид магния, схватывание и твердение.