СИНТЕЗ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ

ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЯЭУ

П.Н. МАРТЫНОВ, Р.Ш. АСХАДУЛЛИН, П.А. ЮДИНЦЕВ, А.А. ОСИПОВ, А.А. СИМАКОВ, А.Ю. ЧАБАНЬ

Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского

(ГНЦ РФ – ФЭИ), г. Обнинск

Метод получения оксидных наноматериалов

в среде жидких Pb, Bi, Pb-Bi, Ga

2 стадия. Окисление растворенного металла водяным паром в соответствии с реакцией:

{Ме’}+ [Me’’]+H2О = {Me’}+<Ме’’xОy > +H2

1 стадия. Растворение в жидком металле (матрице) металла

(реагента), обладающего большим сродством к кислороду по сравнению с растворителем и

растворимостью в конкретной жидкометаллической среде

не менее 0,1 % мас.{Ме’}+ [Me’’]

Термодинамически обоснованные соединения

• Рассмотрение известных данных по растворимостям металлов в галлии, свинце, висмуте и эвтектическом сплаве наряду с термодинамическими расчетами параметров реакций образования оксидов в перечисленных растворителях свидетельствует о возможности получения большого количества соединений вида MexOy. Так при селективном

окислении системы {Ga}-[Me] до 423 K следует ожидать получения Na2O, Al2O3, MgO и Pr2O3. Аналогичные расчеты

приводят к выводу о возможности синтеза TeO2, NiO, CdO,

CoO, Sb2O3, As2O3, GeO2, K2O, ZnO, SnO2, Na2O, In2O3 Fe3O4,

Li2O, SrO, Ba2O, MgO, Cr2O3, Ga2O3, CaO, Mn3O4, HfO2, ThO2,

ZrO2, Al2O3, Pu2O3, Y2O3, Sm2O3, La2O3, Nd2O3, Ce2O3, Ti3O5 и

U3O8 в расплавах свинца, висмута и эвтектики 44.5% Pb - 55.5%

Bi до 873 K.

Реально полученные соединения

• К настоящему времени по способу селективного окисления металлических примесей в расплавах галлия, свинца и свинца-висмута получены ультрадисперсные оксиды: Al2O3, AlOOH (аэрогель), In2O3, Fe3O4, MgO, MoO3, SnO2, ZnO, Ga2O3. Синтезированные вещества имеют объемный вид (порошки с макрочастицами размером до 500 мкм, аэрогели с линейными размерами образцов до 10 см). Структурные составляющие ультрадисперсных оксидов находятся в пределах от 5 до 200 нм, что зависит от химического состава полученных веществ и условий их синтеза.

Микроструктура In2O3

Образец In2O3

Application of semiconductorApplication of semiconductor InIn22OO33, SnO, SnO22, Ga, Ga22OO33,, ZnO ZnO oxidesoxides for thefor the

developmentdevelopment of ozone sensorsof ozone sensors

In2O3, SnO2, Ga2O3, ZnOЧувствительность

по О3 1 ppb

100 nm 100 nm

Жидкометаллическая технология синтеза аэрогеля AlOOH

Реакция образования аэрогеля:

{Ga} +[Al] + 2(H2O) {Ga} + <AlOOH> + 3/2(H2)

{Bi} +[Al] + 2(H2O) {Bi} + <AlOOH> +3/2(H2)

{Pb} +[Al] + 2(H2O) {Pb} + <AlOOH> +3/2(H2)

• Пористость: 94–99 % об., • Плотность: 13–80 мг/см3,• Уд. поверхность (БЭТ):

до 800 м2/г, • Размер структурных составляющих: 20–50 нм,• Теплопроводность (при Т = 130 ÷ 1500 К): 0,01 ÷ 0,02 Вт/(м К),• Удельное электросопротивление: > 4 1010 Ом м.

Установка для синтеза ультрапористого оксигидроксида алюминия со слоисто-волокнистой наноструктурой

1 – добавка отсутствует; 2 – 0,5 % мас.; 3 – 1,0 % мас.; 4 – 1,5 % мас.; 5 – 2,0 % мас.; 6 – 2,5 % мас.; 7 – 3,0 % мас.

(Б)(А)

Влияние добавок аэрогеля AlOOH в порошки Si3N4 (А) и SiC (Б)

на свойства получаемых керамических материалов

Основные характеристики:

- геометрические размеры: диаметр 10; длина – 10÷15 мм;- открытая пористость ~ 0 %;- плотность – 5,89 ÷ 5,95 г/см3 (теор. плотность 6,02 г/см3);- прочность при изгибе (20 °С) – 700 - 900 МПа;- термостойкость ~ 100 °С/с

Улучшение характеристик керамических чувствительных элементов - увеличение ресурса более 40 000 часов

Керамические (ZrO2) чувствительные элементы датчиков кислорода, полученные с использованием упрочняющих добавок (1%мас.)

наноструктурированного оксида алюминия

Условия испытаний: tmin(вода) 20°С t max (Pb-Bi) = 200 ÷280°Cвремя = 2,5 с

Использование оптимальных добавок аэрогеля Al2O3∙H2O (~ 1%) повышает стойкость керамики к термоудару на ~ 20%

Исследование влияния добавок аэрогеля Исследование влияния добавок аэрогеля AlOOH AlOOH на свойства таблеток на свойства таблеток UOUO22

Введение добавки аэрогеля AlOOH в порошок диоксида урана позволяет:

- увеличить механическую прочность спеченных таблеток в 1,5-2 раза;

- увеличить размер зерна в ~ 1,5 раза (до 25-30 мкм);

- снизить температуру спекания таблеток.

Применение аэрогеля Применение аэрогеля AlOOH AlOOH для улучшения свойств для улучшения свойств силиконовых резинсиликоновых резин

После внесения добавок в силиконовые резины и проведения испытаний на образцах,

зафиксировано значительное увеличение стойкости образцов резины в различных

средах (автомобильные масла, бензин, растворители)

0

10

20

30

40

50

60

70

0% 1% 2% 3% 5%

Ксилол, 10 мин (% мас.)

Ксилол, 10 мин, (% об)

Масло М-12Г, 175°С, 72 ч(% мас.)

Масло М-12Г, 175°С, 72 ч(% об)

Бензин, 24 часа (% мас.)

Бензин, 24 часа (% об)

Добавка аэрогеля

% и

змен

ен

ия м

асс

ы и

ли

объ

ем

а

Золотая медаль «Московского международного салона инноваций и инвестиций», 2005 г.

Золотая медаль «IV специализированной выставки нанотехнологий и материалов», 2007 г.

Жидкометаллическая технология получения наноматериалов. Наноструктурированный

аэрогель - AlOOH

Сорбенты

Катализаторы и их носители

Сенсоры

Керамические материалы

Тепло- и электро-изоляция

Области применения полученных

УДМ

Ядерное топливо

Перспективные области применения УДМПерспективные области применения УДМ