Радиационный синтез керамики на основе двойных шпинелей, разработка технологии и исследование структурно-зависимых функциональных свойств

Аннотация

Рассматривается радиационно-термический синтез высокоплотной керамики со структурой двойной шпинели как энергоэффективная альтернатива длительному печному обжигу, ограниченному диффузией на границах зерен и достижением теоретической плотности. Описан подход к управлению дефектностью на наноуровне за счет генерации неравновесных вакансий и междоузлий при облучении, что интенсифицирует массоперенос и способствует формированию однородных твердых растворов, критичных для микротвердости, трещиностойкости и радиационной стойкости. Исследованы оксидные системы Mg(1−x)ZnxAl2O4 и MgAl(2−x)CrxO4, полученные из тонкодисперсных оксидов после длительного планетарного смешения, прессования при 200 МПа и последующей обработки на линейном ускорителе электронов (1,4 МэВ) при контролируемом нагреве 800-1400 °C и поглощенных дозах 50-500 кГр; фазовый состав подтвержден рентгенодифракцией, микроструктура – электронной микроскопией, плотность – гидростатическим методом. Показано нелинейное уплотнение с пороговой сменой механизмов в области около 300 кГр: для MgAl2O4 средняя плотность возрастает с 2,453 до 3,518 г/см³, относительная – с 68,52 до 98,27%, открытая пористость снижается с 28,43 до 0,84%, линейная усадка достигает 16,89%. Легирование повышает механические характеристики при сохранении хрупкого характера разрушения: HV увеличивается от 13,42 ГПа (MgAl2O4) до 16,12 ГПа (MgAl1,6Cr0,4O4), K1c – от 1,87 до 2,93 МПа·м^0,5, модуль упругости – до 291,5 ГПа. Теплопроводность демонстрирует закономерность, близкую к 1/Т (18,45→7,65 Вт/(м·К) при 298→1073 К), коэффициент термического расширения возрастает до 8,56·10^−6 К^−1. Радиационно-защитные свойства коррелируют с плотностью и составом: коэффициент ослабления γ-излучения при 0,662 МэВ достигает 0,312 см^−1 для Mg0,5Zn0,5Al2O4 и превосходит тяжелый бетон, обеспечивая уменьшение толщины защитных экранов; статистическая обработка и многофакторные модели поддерживают оптимизацию режимов и подтверждают воспроизводимость технологии для конструкций специального назначения.