ENVIRONMENT AND TECHNOLOGIES

Radiation synthesis of ceramics based on double spinels, technology development and investigation of structure-dependent functional properties

Authors

How to cite

GOST Long L. Radiation synthesis of ceramics based on double spinels, technology development and investigation of structure-dependent functional properties // Environmental Management Issues. 2026. Vol. 5. No. 1. P. 31-40. DOI: 10.25726/h2876-4665-2264-b
APA Long, L. (2026). Radiation synthesis of ceramics based on double spinels, technology development and investigation of structure-dependent functional properties. Environmental Management Issues, 5(1), 31-40. https://doi.org/10.25726/h2876-4665-2264-b

Abstract

Radiation-thermal synthesis of high-density ceramics with double spinel structure is considered as an energy-efficient alternative to prolonged furnace firing limited by diffusion at grain boundaries and achievement of theoretical density. An approach to controlling defectiveness at the nano level through generation of non equilibrium vacancies and interstitials under irradiation is described, which intensifies mass transfer and promotes formation of homogeneous solid solutions critical for microhardness, fracture toughness, and radiation resistance. Oxide systems Mg(1−x)ZnxAl2O4 and MgAl(2−x)CrxO4 obtained from fine-dispersed oxides after prolonged planetary mixing, pressing at 200 MPa, and subsequent processing on a linear electron accelerator (1.4 MeV) at controlled heating 800-1400 °C and absorbed doses 50-500 kGy were investigated; phase composition was confirmed by X-ray diffraction, microstructure by electron microscopy, density by hydrostatic method. Nonlinear densification with a threshold change of mechanisms around 300 kGy is shown: for MgAl2O4 average density increases from 2.453 to 3.518 g/cm³, relative density from 68.52 to 98.27%, open porosity decreases from 28.43 to 0.84%, linear shrinkage reaches 16.89%. Doping improves mechanical properties while maintaining brittle fracture character: HV increases from 13.42 GPa (MgAl2O4) to 16.12 GPa (MgAl1.6Cr0.4O4), K1c from 1.87 to 2.93 MPa·m^0.5, elastic modulus up to 291.5 GPa. Thermal conductivity shows a trend close to 1/T (18.45→7.65 Wt/(m·K) at 298→1073 K), coefficient of thermal expansion increases to 8.56·10^−6 K^−1. Radiation-shielding properties correlate with density and composition: attenuation coefficient for γ-radiation at 0.662 MeV reaches 0.312 cm^−1 for Mg0.5Zn0.5Al2O4 and exceeds heavy concrete, providing reduction in thickness of shielding screens; statistical processing and multifactor models support optimization of regimes and confirm reproducibility of the technology for special-purpose structures.

Keywords

radiation-thermal synthesis ceramics double spinels densification radiation resistance

References

Головин Ю.И., Фарбер Б.Я., Коренков В.В., Тюрин А.И., Шуклинов А.В., Столяров Р.А., Жигачев А.О. Синтез и характеризация физико-механических свойств стабилизированной циркониевой керамики из природного бадделеита // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2012. Т. 17. № 3. С. 875-879.

Матренин С.В., Мостовщиков А.В., Мировой Ю.А., Чудинова А.О. Исследование структуры и физико-механических свойств керамики на основе оксинитридов алюминия и циркония // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2022. Т. 333. № 2. С. 184-192.

Папынов Е.К., Шичалин О.О., Майоров В.Ю., Модин Е.Б., Портнягин А.С., Ткаченко И.А., Белов А.А., Гридасова Е.А., Тананаев И.Г., Авраменко В.А. Искровое плазменное спекание как высокотехнологичный подход для синтеза наноструктурированных функциональных керамик нового поколения // Российские нанотехнологии. 2017. Т. 12. № 1-2. С. 38-48.

Папынов Е.К., Шичалин О.О., Тананаев И.Г., Авраменко В.А., Сергиенко В.И. Возможности технологии искрового плазменного спекания для синтеза функциональных керамик практического назначения // Труды Кольского научного центра РАН. 2018. Т. 9. № 2-1. С. 90-94.

Папынов Е.К., Шичалин О.О., Майоров В.Ю., Ткаченко И.А., Голуб А.В., Тананаев И.Г., Авраменко В.А. Технология искрового плазменного спекания как перспективное решение для создания функциональных наноструктурированных керамик // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2016. № 6 (190). С. 15-30.

Педченко М.С., Сенина М.О., Лемешев Д.О. Синтез керамики из алюмомагнезиальной шпинели со спекающей добавкой // Успехи в химии и химической технологии. 2018. Т. 32. № 14(210). С. 6-8.

Рахимов Р.Х. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Часть 1 // Computational Nanotechnology. 2016. № 2. С. 9-27.

Рахимов Р.Х. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Часть 2 // Computational Nanotechnology. 2016. № 2. С. 28-65.

Рахимов Р.Х. Синтез функциональной керамики на БСП и разработки на ее основе // Computational Nanotechnology. 2015. № 3. С. 11-25.

Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Рахимов М.Р. Возможность применения функциональной керамики для синтеза комплексных соединений // Химия и химическая технология. 2015. Т. 47. № 1. С. 14-17.

Рахимов Р.Х., Паньков В.В., Ермаков В.П., Рашидов Ж.Х., Рахимов М.Р., Рашидов Х.К. Исследование свойств функциональной керамики, синтезированной модифицированным карбонатным методом // Computational nanotechnology. 2023. Т. 10. № 3. С. 130-143.

Сенина М.О., Журба Е.В., Русакова Л.Ю., Педченко М.С., Лемешев Д.О. Синтез порошков алюмомагнезиальной шпинели для получения прозрачных керамических материалов // Успехи в химии и химической технологии. 2017. Т. 31. № 3(184). С. 99-101.

Сенина М.О., Лемешев Д.О. Способы синтеза порошков алюмомагниевой шпинели для получения оптически прозрачной керамики (обзор) // Успехи в химии и химической технологии. 2016. Т. 30. № 7(176). С. 101-103.

Сенина М.О., Лихачева Е.С., Бойко А.В., Педченко М.С., Лемешев Д.О. Синтез керамики из алюмомагнезиальной шпинели со спекающей добавкой // Успехи в химии и химической технологии. 2018. Т. 32. № 2(198). С. 155-157.

Шнуренко К.С., Шевчик А.П., Козлов В.В., Лебедев Л.А. Влияние добавки наноструктурированной алюмомагниевой шпинели, полученной методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, на физико-механические свойства шпинельной керамики // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2018. № 44(70). С. 17-20.

Issue

Section

ENVIRONMENT AND TECHNOLOGIES
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata