Экспериментальное исследование жидкометаллических растворов Li-K-Pb с частичной химической локализацией

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 23-79-10095

НазваниеЭкспериментальное исследование жидкометаллических растворов Li-K-Pb с частичной химической локализацией

Руководитель Агажанов Алибек Шаяхметович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-202 - Теплофизические свойства веществ и материалов, в том числе в экстремальных состояниях

Ключевые слова система Li-K-Pb, теплофизические свойства, фазовые переходы, ионные расплавы, высокие температуры, металлы, сплавы, прогнозирование свойств

Код ГРНТИ58.33.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Расплавы щелочных металлов (ЩМ) со свинцом относятся к уникальному классу веществ, так называемых ионных расплавов, в которых проявляются признаки химического упорядочивания в жидком состоянии. Отличительной особенностью этих расплавов является существенное отклонение концентрационных зависимостей теплофизических и электрофизических свойств от поведения, характерного для типичных жидкометаллических систем. Данное явление объясняется тенденцией к формированию в этих расплавах химического ближнего порядка в виде ионных ассоциатов, которые, по сути, служат глубокими потенциальными ямами-ловушками для основной части электронов проводимости. В результате в жидких сплавах ЩМ-Pb образовываются либо интерметаллические комплексы в виде октетных соединений ЩМ4-Pb (для легких ЩМ), либо полианионные изолированные тетраэдрические кластеры 4Pb с общим зарядом –4 (для тяжелых ЩМ). Это приводит к необычному поведению многих физических свойств таких систем, которые, возможно, дают перспективы использования ионно-металлических расплавов для разработки новых устройств и технологий. Однако, если для бинарных сплавов ЩМ-Pb имеется обширная экспериментальная информация по многим структурно-чувствительным параметрам, то для трёхкомпонентных жидких систем типа A-B-Pb (A, B – разные ЩМ) фактически отсутствуют какие-либо сведения. Особый научный интерес представляет тройная система Li-K-Pb, в которой могут одновременно образовываться как октетные соединения Li4-Pb, так и тетраэдрические кластеры 4Pb4–, при этом известно, что жидкие Li и K практически полностью нерастворимы друг в друге вплоть до высоких температур. В итоге, возникает неопределённость о структуре жидкой системы Li-K-Pb и о ее влиянии на физические свойства. В ходе выполнения проекта предполагается провести измерения термических, калорических и переносных свойств расплавов системы Li-K-Pb в широких интервалах концентраций и температур. Будут получены надежные систематизированные данные по изученным свойствам (в виде таблиц и рекомендуемых зависимостей). Будет построена поверхность ликвидуса фазовой диаграммы системы Li-K-Pb с выявлением составов возможных интерметаллидов и эвтектических сплавов. Полученные в ходе исследования новые данные будут носить уникальный характер и послужат научной базой для развития теории ионных расплавов. Анализ полученных зависимостей свойств позволит выявить возможные аномалии их поведения при определенных концентрациях и температурах. С использованием новых экспериментальных данных, а также имеющихся литературных результатов и модельных представлений для бинарных сплавов систем Li-Pb и K-Pb, будут сделаны конкретные выводы о структуре изученной жидкой тройной системы и ее изменениях в области фазовых превращений. В целом, полученная в ходе выполнения проекта новая, надежная экспериментальная информация, ее обобщение и анализ должны внести значительный вклад в решение проблемы, касающейся механизмов перехода металлических расплавов из жидкостей с чисто металлическим характером поведения (валентные электроны делокализованы) в расплавы с частичной химической локализацией (с образованием ионных ассоциатов).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В течение второго года выполнения проекта проведено экспериментальное исследование термических свойств шести сплавов системы Li–K–Pb с высоким содержанием свинца (Li13K13Pb74, Li10.5K10.5Pb79, Li8.5K8.5Pb83, Li6K6Pb88, Li5K10Pb85 и Li6K9Pb85). Методом просвечивания узким пучком гамма-излучения на плотномере ГП-1 выполнены измерения плотности и объемного коэффициента термического расширения (ОКТР) в интервале от температуры ликвидуса до 1100 К. Погрешности измерений составили 0,2–0,4% для плотности и 1,3–3,3% для ОКТР. Термический анализ всех сплавов выявил наличие тройной эвтектики с температурой эвтектической реакции TE = 493±5 К, что более чем на 100 К ниже температуры плавления чистого свинца. Этот результат имеет важное значение для поиска альтернативных теплоносителей в ядерной энергетике, так как сплавы с высоким содержанием Pb демонстрируют хорошие теплофизические свойства и потенциально меньшую коррозионную активность. Построены контурные диаграммы температуры ликвидуса, которые позволили качественно оценить поверхность ликвидуса для тройной системы Li–K–Pb и определить область поиска эвтектического состава. Для сплавов Li4KPb2 и Li16K3Pb7 проведены дополнительные исследования на плотномере ГП-2, что позволило расширить температурный диапазон измерений до 1200 К. Обнаружены аномалии на температурных зависимостях интенсивности гамма-излучения, свидетельствующие о возможном расслоении расплавов. Профили интенсивности по высоте столба жидкости подтвердили наличие верхнего слоя, обогащенного калием. Полученные данные по плотности и ОКТР для этих сплавов были экстраполированы до температур ликвидуса и представлены в виде таблиц справочных данных. Также проведено исследование интерметаллида LiK3Pb4: измерены приращение энтальпии, теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность в интервале до 1100 К. Установлено, что теплопроводность жидкого LiK3Pb4 (2,5–4,3 Вт/(м·К)) на порядок ниже значений, рассчитанных по закону для идеальных растворов, что указывает на сильную локализацию электронов проводимости и формирование ионных комплексов, аналогичных наблюдаемым в бинарных жидких системах "Щелочной металл – Pb". На основе экспериментальных данных построены контурные диаграммы относительного избыточного мольного объема (Vex) и ОКТР для системы Li–K–Pb при 950 К. Максимальное объемное сжатие (Vex = –28%) обнаружено для составов вдоль линии Li4Pb–KPb, что свидетельствует о наличии химического ближнего порядка и формировании устойчивых структур в расплаве. Расчеты по модели Хафнера подтвердили образование комплексов, состоящих преимущественно из атомов Pb и K, что согласуется с представлениями о полианионах Цинтля. Результаты исследований представлены на двух всероссийских конференциях и опубликованы в рецензируемых журналах, включая журнал квартиля Q1. Разработаны таблицы рекомендуемых данных и температурные зависимости для всех изученных свойств сплавов Li–K–Pb.

Публикации

1. Агажанов А.Ш., Хайрулин А.Р., Абдуллаев Р.Н., Хайрулин Р.А. Плотность и тепловое расширение сплава LiKPb2 в жидком состоянии Сборник тезисов докладов IX Всероссийской конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2024, 8–15 сентября 2024 г., г. Сочи): – Новосибирск: ИТ СО РАН, 2024., Стр. 138 (год публикации - 2024)

2. Агажанов А.Ш., Абдуллаев Р.Н., Хайрулин Р.А., Хайрулин А.Р. Экспериментальное исследование термических свойств жидких сплавов системы Li–K–Pb Сборник тезисов докладов на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых учёных "XL Сибирский теплофизический семинар", посвященной 110-летию со дня рождения С.С. Кутателадзе и 300-летию Российской академии наук (СТС-40, 20–23 августа 2024 года, г. Новосибирск): – Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2024., стр. 198 (год публикации - 2024)

3. Агажанов А.Ш., Хайрулин Р.А., Абдуллаев Р.Н., Хайрулин А.Р., Станкус С.В. Ionic complexes in liquid Li–K–Pb alloys Journal of Molecular Liquids, Vol. 424, Article No. 127090, P. 1–12. https://s100.copyright.com/AppDispatchServlet?publisherName=ELS&contentID=S0167732225002533&orderBeanReset=true (год публикации - 2025)
10.1016/j.molliq.2025.127090

4. Агажанов А.Ш., Абдуллаев Р.Н., Хайрулин Р.А., Хайрулин А.Р. Экспериментальное исследование термических свойств эквиатомного сплава LiKPb Теплофизика высоких температур, том 62, выпуск 6, стр. 840–845 (год публикации - 2024)
10.31857/S0040364424060057