Высокоэнтропийные керамики, синтезированные методом нагрева быстрыми электронами на воздухе: механизм синтеза, микроструктура, свойства

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-00014

НазваниеВысокоэнтропийные керамики, синтезированные методом нагрева быстрыми электронами на воздухе: механизм синтеза, микроструктура, свойства

Руководитель Гынгазов Сергей Анатольевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-307 - Электрофизические аспекты новых технологий

Ключевые слова оксиды, перовскиты, высокоэнтропийная керамика, синтез, быстрые электроны

Код ГРНТИ29.19.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку научных основ эффективных методов получения высокоэнтропийной оксидной керамики (ВЭОК) методами нагрева на воздухе быстрыми электронами (БЭ) с энергией 0,8 – 2,5 МэВ, мощностью до 90 кВт и плотностью мощности до 100 кВт/см2. Синергетический эффект от воздействия высокой температуры и ионизации реакционных смесей (РС) обеспечит протекание процессов синтеза с высокой эффективностью за короткое время. Объектами исследования будут РС порошков: 1 - Yb2O3; Lu2O3; Eu2O3; Er2O3; Al2O3; 2 - CaTiO3; SrTiO3; BaTiO3; PbTiO3; La2O3; TiO2, предназначенные для получения новых и перспективных сверхвысокотемпературной ВЭОК (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 и ВЭОК со структурой перовскита (Ca0.2Sr0.2Ba0.2Pb0.2La0.2)TiO3 соответственно. Однородность РС будет достигаться обработкой в планетарном активаторе AGO-2C. Спекание керамики будет проводиться методом SPS. В ходе выполнения проекта будет изучено влияние продолжительности механической активации на формирование фазового состава и микроструктуры РС и исследован синтез указанных типов ВЭОК в зависимости от условий предварительной механической обработки РС, типа пучка (постоянный или импульсный), величины ускоряющего напряжения ускорителя, плотности мощности пучка и времени обработки БЭ. На первом этапе предлагаемого проекта будут получены образцы ВЭОК по традиционному методу. Будет изучено влияние продолжительности механической активации на формирование фазового состава и микроструктуры РС, отработаны технологические режимы синтеза в объеме печи сопротивления и спекания керамик методом SPS. Образцы и режимы будут использованы для проведения сравнительного анализа традиционного термического и предлагаемого метода синтеза ВЭОК, а также образцов ВЭОК, изготовленных из порошков, полученных обоими методами синтеза. На ускорителе БЭ будут разработаны методики контроля температуры при насыпной плотности РС, отработаны режимы нагрева РС до температуры синтеза в режиме сканирования пучка в плоскости нагреваемого порошкового материала. На последующих этапах будут отработаны технологические режимы синтеза методом нагрева БЭ на воздухе высокотемпературной ВЭОК (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 и ВЭОК со структурой перовскита (Ca0.2Sr0.2Ba0.2Pb0.2La0.2)TiO3, проведены исследования механизмов синтеза, микроструктуры и свойств керамик, изготовленных из синтезированных разными методами материалов. Будет проведено сравнение традиционного термического метода синтеза с предлагаемым и свойств получаемых керамических материалов. Синтез сложнооксидной керамики, в том числе ВЭОК, традиционным методом представляет собой многоступенчатый процесс, характерной особенностью которого является высокая длительность, сложность в достижении монофазности керамического продукта. Этот метод является высокозатратным как по стоимости, так и по времени. Существенно улучшить данные показатели в проекте предлагается за счет применения метода синтеза нагревом БЭ на воздухе. Новизна проекта и актуальность проблемы состоит в разработке научных основ эффективного метода синтеза ВЭОК под воздействием БЭ на воздухе. Высокая эффективность предлагаемого метода по сравнению с традиционным методом синтеза нагревом в печи сопротивления достигается за счет синергетического эффекта одновременного воздействия на РС высокой температуры и ионизации реагентов. Это позволит получить за короткие времена (секунды!!!) без посторонних примесей ВЭОК с высокой однородностью фазового состава. В результате эффективность и трудоемкость процесса синтеза, качество керамических материалов будут существенно улучшены. Работа над проектом будет проводиться в сотрудничестве с учеными ИЯФ СО РАН, г. Новосибирск на «Стенде ЭЛВ-6», входящем в состав объекта инфраструктуры, принадлежащего ИЯФ СО РАН. В целом в ходе реализации проекта будут разработаны научные основы метода синтеза в пучке БЭ широкого класса сложнооксидных керамических материалов, включая ВЭОК.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. С.А. Гынгазов, И.П. Васильев, В.А. Болтуева, В.А. Власов SYNTHESIS OF TECHNICAL CERAMICS IN A BEAM OF FAST ELECTRONS Russian Physics Journal, Russian Physics Journal, Vol. 66, No. 4, August, 2023, p.p. 391-397 (год публикации - 2023)
10.1007/s11182-023-02952-x

2. С.А. Гынгазов, В.А. Болтуева Effect of ion treatment on the structure and properties of ceramic materials (review) Ceramics International, Ceramics International 49 (2023) 37061–37071 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ceramint.2023.09.099

3. Гынгазов С.А., Васильев И.П., Болтуева В.А., Суржиков А.П. Синтез композитной оксидной керамики в пучке быстрых электронов X Всероссийская конференция (с международным участием) «Высокотемпературная химия оксидных систем и материалов»: Сборник тезисов докладов, X Всероссийская конференция (с международным участием) «Высокотемпературная химия оксидных систем и материалов»: Сборник тезисов докладов, г. Санкт-Петербург, 5-9 июня 2023 г. – СПб.: ООО «Издательство «ЛЕМА», 2023. – с. стр.286-289. (год публикации - 2023)

4. Гынгазов С.А., Болтуева В.А., Васильев И.П., Гынгазов А.С. Отработка режимов обработки быстрыми электронами порошковых материалов для реализации технологии синтеза сложнооксидных соединений X Всероссийская конференция (с международным участием) «Высокотемпературная химия оксидных систем и материалов»: Сборник тезисов докладов, X Всероссийская конференция (с международным участием) «Высокотемпературная химия оксидных систем и материалов»: Сборник тезисов докладов, г. Санкт-Петербург, 5-9 июня 2023 г. – СПб.: ООО «Издательство «ЛЕМА», 2023. – стр. 269-271 (год публикации - 2023)

5. С.А. Гынгазов, И.П. Васильев, В.А. Болтуева, В.А. Власов Синтез электрокорунда циркония в пучке быстрых электронов Известия вузов. Физика., Известия вузов. Физика. т. 69, №9, стр. 29-36 (год публикации - 2023)
10.17223/00213411/66/9/3

6. Гынгазов С.А., Суржиков А.П., Васильев И.П., Болтуева В.А., Власов В.А. Synthesis of high-entropy ceramics (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 by electron beam heating Ceramics International, 50 (2024) 45037–45043 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ceramint.2024.08.342

7. Гынгазов С.А., Болтуева В.А., Васильев И.П. Synthesis of Complex Oxide Ceramics in a Fast Electron Beam Inorganic Materials: Applied Research, Vol. 15, No. 5, pp. 1490–1498. (год публикации - 2024)
10.1134/S207511332470117X

8. Гынгазов С. А., Васильев И.П., Болтуева В. А., Власов В. А. ИНИЦИИРОВАННЫЙ МОЩНЫМ ПУЧКОМ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ СИНТЕЗ СЛОЖНООКСИДНОЙ КЕРАМИКИ Труды XIII международного онлайн симпозиума "Материалы во внешних полях". Сибирский государственный индустриальный университет. Новокузнецк: Издательский центр СибГИУ., с. 28-29 (год публикации - 2024)

9. Гынгазов С.А., Васильев И.П., Болтуева В.А., Власов В.А. SYNTHESIS OF ALUMINUM TITANATE BASED COMPOSITE CERAMICS USING HIGH-POWER FAST-ELECTRON BEAM Russian Physics Journal, Том 67, Выпуск 8, Страницы 1150 - 1156 (год публикации - 2024)
10.1007/s11182-024-03227-9

10. Гынгазов С.А., Васильев И.П., Болтуева В.А., Власов В.А. Радиационно-термический синтез высокоэнтропийной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 в мощном пучке быстрых электронов Сборник тезисов XIII Всероссийской конференции с международным участием "Химия твёрдого тела и функциональные материалы - 2024". 16-20 сентября 2024 года. – СПб.: Типография «НОВБЫТХИМ», 2024. –546 с.: ил., с. 70 (год публикации - 2024)

11. Гынгазов С.А., Васильев И.П., Болтуева В.А., Власов В.А. Радиационно-термический синтез титанатов алюминия и циркония в мощном пучке быстрых электронов Сборник тезисов XIII Всероссийской конференции с международным участием "Химия твёрдого тела и функциональные материалы - 2024". 16-20 сентября 2024 года. – СПб.: Типография «НОВБЫТХИМ», 2024. –546 с.: ил., с. 69 (год публикации - 2024)

12. ГЫНГАЗОВ С.А., БОЛТУЕВА В.А., ВАСИЛЬЕВ И.П. SYNTHESIS OF OXIDE CERAMICS IN A FAST ELECTRON BEAM 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024): Abstracts. — Tomsk : Academizdat Publishing, 2024. — 684 p. , c.449 (год публикации - 2024)

13. ГОЛКОВСКИЙ М.Г., ДЕНИСОВ И.П., ГЫНГАЗОВ С.А., ВАСИЛЬЕВ И.П., ЧАКИН И.К. EFFICIENCY OF SYNTHESIS OF CERAMIC MATERIALS UNDER THE INFLUENCE OF AN ELECTRON BEAM WITH HIGH PENETRATION 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024): Abstracts. — Tomsk : Academizdat Publishing, 2024. — 684 p., с. 548 (год публикации - 2024)

14. Гынгазов С.А., Болтуева В.А., Васильев И.П. Синтез оксидной керамики в пучке быстрых электронов Proceedings of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE–2024) | Tomsk, Russia, с. 1245-1251 (год публикации - 2024)
10.56761/EFRE2024.R1-P-004101

15. ГОЛКОВСКИЙ М.Г., ДЕНИСОВ И.П., ГЫНГАЗОВ С.А., ВАСИЛЬЕВ И.П., ЧАКИН И.К. КПД жидкофазного синтеза керамических материалов под воздействием электронного пучка с высокой проникающей способностью Proceedings of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE–2024) | Tomsk, Russia, с. 1388-1398 (год публикации - 2024)
10.56761/EFRE2024.N1-O-050402

16. Гынгазов С.А., Васильев И.П., Болтуева В.А., Власов В.А., Насырбаев А. СИНТЕЗ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОЙ КЕРАМИКИ (Y0.2YB0.2LU0.2EU0.2ER0.2)3AL5O12 ДЛЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ . ФИЗИКА, Том: 67Номер: 6 (799) Год: 2024 Страницы: 24-31 (год публикации - 2024)
10.17223/00213411/67/6/4

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на разработку научных основ эффективных методов получения высокоэнтропийной оксидной керамики методами нагрева на воздухе быстрыми электронами с энергией 0,8 – 2,5 МэВ, мощностью до 90 кВт и плотностью мощности до 100 кВт/см2. В отличие от известных методов разрабатываемый метод даст возможность с малыми временными и энергетическими затратами проводить синтез высокоэнтропийных керамических материалов, получение которых известными методами или крайне затруднено или невозможно. Эффективное протекание процесса синтеза за короткое время радиационного нагрева будет иметь место за счет того, что под действием мощного пучка быстрых электронов порошковая реакционная смесь будет нагреваться до высокой температуры, при которой ее некоторые компоненты подвергаются плавлению, и одновременно подвергаться интенсивной ионизации. Предполагается, что в результате одновременного действия указанных факторов скорость синтеза сложных оксидных соединений должна возрасти на несколько порядков по сравнению с традиционными методами синтеза. Согласно заявленному общему плану выполнения проекта в 2024 году на базе объекта инфраструктуры Уникальная научная установка «Стенд ЭЛВ-6», ИЯФ СО РАН, г. Новосибирск были проведены работы по отработке режимов синтеза высокоэнтропийной оксидной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 методом нагрева быстрыми электронами на воздухе. Были отработаны режимы синтеза керамики данного состава обработкой реакционных смесей исходных реагентов мощным пучком быстрых электронов на воздухе, проведены исследования структурно-фазового состава синтезируемого в пучке быстрых электронов материала высокоэнтропийной оксидной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12. Методом обработки реакционных смесей мощным пучком быстрых электронов синтезирован керамический материал, из которого методом измельчения в шаровой мельнице был получен порошок керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 с размером частиц не более 60 мкм. Из данного порошка методом искрового плазменного спекания (SPS) и спеканием в печи сопротивления получены образцы высокоэнтропийной оксидной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 и исследованы их теплозащитные свойства. Проведен сравнительный анализ свойств полученной с использованием пучка быстрых электронов высокоэнтропийной оксидной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 со свойствами керамики того же состава, полученной из порошковой смеси исходных оксидов синтезом в печи сопротивления и методом SPS. Проведены исследования по влиянию облучения мощным пучком быстрых электронов на синтез керамики на основе титаната алюминия. В ходе выполнения 2-го этапа достигнуты следующие конкретные результаты: 1. Режимы синтеза высокоэнтропийной оксидной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 нагревом на воздухе исходных порошковых реакционных смесей мощным пучком быстрых электронов. 2. Данные о структурно-фазовом составе синтезируемых в пучке быстрых электронов материалов высокоэнтропийной оксидной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12. 3. Данные об элементном составе, морфологии, однородности синтезированного керамического продукта (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12, полученные методом сканирующей электронной микроскопии с использованием приставки энегодисперсионного анализа. 4. Образцы высокоэнтропийной оксидной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12, полученные спеканием в печи сопротивления из порошкового сырья, синтезированного нагревом исходной порошковой реакционной смеси мощным пучком быстрых электронов. 5. Образцы высокоэнтропийной оксидной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12, полученные методом искрового плазменного спекания из порошкового сырья, полученного помолом синтезированного нагревом исходной порошковой реакционной смеси мощным пучком быстрых электронов керамического материала. 6. Данные и описание теплозащитных свойств образцов высокоэнтропийной оксидной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12, полученных с использованием традиционной и разрабатываемой технологией синтеза. Сравнительный анализ свойств образцов. 7. Данные о влиянии способа получения высокоэнтропийной оксидной керамики на ее плотность, пористость и механические свойства. При достижении данных результатов установлены закономерности влияния на эффективность синтеза сложнооксидных соединений при нагреве мощным пучком быстрых электронов факторов: - механической обработки смеси порошковых реагентов; - энергии быстрых электронов на эффективность синтеза сложнооксидных соединений; - скорости перемещения смеси порошковых реагентов через зону облучения мощным пучком быстрых электронов на эффективность синтеза сложнооксидных; - мощности облучения быстрыми электронами на эффективность синтеза сложнооксидных соединений. Установлено влияние предыстории изготовления высокоэнтропийной оксидной керамики на формирование: - ее плотности, пористости и механические свойства. - теплозащитных свойств. Впервые получены надежные экспериментальные данные, показывающие: - возможность синтеза высокоэнтропийной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 за короткое время (секунды) воздействия мощного пучка быстрых электронов на порошковую смесь исходных оксидов и влияния энергии электронов, тока пучка электронов и скорости перемещения под пучком; - получение высокоэнтропийной керамики (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 с повышенной твердостью при использовании исходного сырья, синтезированного в мощном пучке быстрых электронов; - наличие люминесценции в высокоэнтропийном материале (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 и условия ее появления; - влияние исходного фазового состава оксида алюминия на эффективность его обработки в мощном пучке быстрых электронов. Результаты, достигнутые в ходе выполнения проекта доложены на трех международных научно-технических конференциях и опубликованы в 4-х ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, в том числе 1 статья в издании, входящем в первый квартиль (Q1).

Публикации