nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2024-1-45-54nuc-621Research ArticleСтатьиСИНТЕЗ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ КЕРАМИК С ВАРИАЦИЕЙ СТЕХИОМЕТРИИ КОМПОНЕНТ КЕРАМИКSYNTHESIS OF MULTICOMPONENT HEAT-SHIELDING RADIATION-RESISTANT CERAMICS WITH VARIATION OF STOICHIOMETRY OF CERAMIC COMPONENTSКозловскийА. Л.KozlovskiyA. L.

Астана

Astana

https://orcid.org/0000-0002-9727-0511БоргековД. Б.BorgekovD. B.

Астана

Astana

borgekov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9908-3034ШакирзяновР. И.ShakirzyanovR. I.

Астана

Astana

halfraf@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2869-5989ЗагребоваА. С.ZagrebovaA. S.

Астана

Astana

azagrebova@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0005-9445-199XХаметоваА. А.KhametovaA. A.

Астана

Astana

khametovaaa@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-5483-9552ЖумажановаА. Т.ZhumazhanovaA.  T.

Астана

Astana

ainashzhumazhanova@gmail.comАстанинский филиал Института ядерной физики; Евразийский национальный университет им. Л. Н. ГумилеваКазахстанAstana Branch of the Institute of Nuclear Physics; L.N. Gumilyov Eurasian National UniversityKazakhstanЕвразийский национальный университет им. Л.Н. ГумилеваКазахстанL.N. Gumilyov Eurasian National UniversityKazakhstan202428032024014554Copyright © Козловский А.Л., Боргеков Д.Б., Шакирзянов Р.И., Загребова А.С., Хаметова А.А., Жумажанова А.Т., 20242024Козловский А.Л., Боргеков Д.Б., Шакирзянов Р.И., Загребова А.С., Хаметова А.А., Жумажанова А.Т.Kozlovskiy A.L., Borgekov D.B., Shakirzyanov R.I., Zagrebova A.S., Khametova A.A., Zhumazhanova A.T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/621

В работе представлены результаты получения многокомпонентных теплозащитных радиационно-стойких керамических материалов на основе соединений WO3–Bi2O3–ZnO–TeO2–CeO2–ZrO2 полученные путем механохимического твердофазного синтеза с дальнейшим отжигом при температуре 1000 °С. Введение в структуру допирующих веществ, в виде оксидов металлов, позволяет предотвратить нежелательные структурные изменения керамики, улучшить стойкость и стабильность системы. Выбор синтеза керамик на основе оксида циркония связан с наличием ряда ценных физико-механических свойств вещества, и, как следствие, возможность применения в сфере функциональных материалов для использования в разнообразных технических областях. Процессы фазообразования в многокомпонентных керамиках на основе оксидных тугоплавких соединений (WO3, Bi2O3, ZnO, TeO2, CeO2, ZrO2) были изучены методами сканирующей электронной микроскопии энергодисперсионным и рентгенофазным методами анализа. Используя совокупность представленных методов, были получены следующие результаты, позволяющие всесторонне охарактеризовать исследуемые образцы, а также установить зависимости влияния вариации используемых оксидов на фазовый состав и морфологические особенности керамик. Анализ морфологических параметров показал, что с увеличением концентрации легирующей примеси формируется более плотная структура агломератов, что связано со спеканием частиц при более высоких концентрациях допанта. Согласно полученным результатам энергодисперсионного анализа установлено, что добавление ZrO2 приводит к небольшому перераспределению элементов в структуре, так атомное содержание Ce, W, Bi, и Te уменьшилось в 2,58; 3,38; 2,12; 1,91 раз соответственно, а атомное содержание Zn увеличилось в 1,32 раза Анализ дифрактограмм показал, что исследуемые образцы WO3–Bi2O3–ZnO–TeO2–CeO2–ZrO2, характеризуются содержанием Zn3(TeO6), ZnTeO3, CeO2, Bi2O3, Bi2WO6, ZnWO4, Ce5Zr3O16, ZnO, (Zr0.98Ce0.02)O2 фаз.

The paper presents the results of obtaining multicomponent heat-protective radiation-resistant ceramic materials based on the WO3–Bi2O3–ZnO–TeO2–CeO2–ZrO2 compounds obtained by mechanochemical solid-phase synthesis with further annealing at a temperature of 1000 °C. The introduction of doping substances into the structure in the form of metal oxides makes it possible to prevent undesirable structural changes in ceramics and improve the durability and stability of the system. The choice of the synthesis of ceramics based on zirconium oxide is associated with the presence of several valuable physical and mechanical properties of the substance, and, as a consequence, the possibility of application in the field of functional materials for use in a variety of technical fields. The processes of phase formation in multicomponent ceramics based on oxide refractory compounds (WO3, Bi2O3, ZnO, TeO2, CeO2, ZrO2) were studied by scanning electron microscopy, energy dispersive and x-ray phase analysis methods. Using a combination of the presented methods, the following results were obtained, which make it possible to comprehensively characterize the samples under study, as well as establish the dependence of the influence of variations in the oxides used on the phase composition and morphological features of the ceramics. Analysis of morphological parameters showed that with increasing dopant concentration, a denser structure of agglomerates is formed, which is associated with sintering of particles at higher dopant concentrations. According to the obtained results of energy dispersive analysis, it was found that the addition of ZrO2 results a slight redistribution of elements in the structure, so the atomic content of Ce, W, Bi, and Te decreased by 2.58; 3.38; 2.12; 1.91 times, respectively, and the atomic content of Zn increased by 1.32 times. Analysis of diffraction patterns showed that the studied samples WO3-Bi2O3-ZnO-TeO2-CeO2-ZrO2 are characterized by the content of Zn3(TeO6), ZnTeO3, CeO2, Bi2O3, Bi2WO6, ZnWO4, Ce5Zr3O16, ZnO, (Zr0.98Ce0.02)O2 phases.

многокомпонентные керамикирадиационная стойкостьдиоксид циркониятвердофазный синтезфазовый анализmulticomponent ceramicsradiation resistancezirconium dioxidesolid-phase synthesisphase analysisИсследование финансируется Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан (No. BR21882390).ReferencesGao X. et al. Composition design and preparation of lithium lead titanate (Li2PbxTi1-xO3, 0.1< x< 0.9): A novel tritium breeding ceramic //Nuclear Materials and Energy. – 2024. – P. 101608.Gao X. et al. Composition design and preparation of lithium lead titanate (Li2PbxTi1-xO3, 0.1< x< 0.9): A novel tritium breeding ceramic //Nuclear Materials and Energy. – 2024. – P. 101608.Çağlar İ. et al. Gamma radiation shielding properties of some binary tellurite glasses //Journal of Non-Crystalline Solids. – 2021. – Vol. 574. – P. 121139.Çağlar İ. et al. Gamma radiation shielding properties of some binary tellurite glasses //Journal of Non-Crystalline Solids. – 2021. – Vol. 574. – P. 121139.Zeng S. et al. Enhanced thermal shock resistance of zirconia ceramics with multi-component rare earth and tourmaline addition //Ceramics International. – 2023. – Vol. 49. – No. 11. – P. 18689-18698.Zeng S. et al. Enhanced thermal shock resistance of zirconia ceramics with multi-component rare earth and tourmaline addition //Ceramics International. – 2023. – Vol. 49. – No. 11. – P. 18689-18698.Singh G. P. et al. Impact of TiO2 on radiation shielding competencies and structural, physical and optical properties of CeO2–PbO–B2O3 glasses //Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 885. – P. 160939.Singh G. P. et al. Impact of TiO2 on radiation shielding competencies and structural, physical and optical properties of CeO2–PbO–B2O3 glasses //Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 885. – P. 160939.Abdolahzadeh T. et al. Novel polyethylene/tungsten oxide/bismuth trioxide/barium sulfate/graphene oxide nanocomposites for shielding against X-ray radiations //International Journal of Radiation Research. – 2023. – Vol. 21. – No. 1. – P. 79–87.Abdolahzadeh T. et al. Novel polyethylene/tungsten oxide/bismuth trioxide/barium sulfate/graphene oxide nanocomposites for shielding against X-ray radiations //International Journal of Radiation Research. – 2023. – Vol. 21. – No. 1. – P. 79–87.Horti N. C. et al. Structural and optical properties of zirconium oxide (ZrO2) nanoparticles: effect of calcination temperature //Nano Express. – 2020. – Vol. 1. – No. 1. – P. 010022.Horti N. C. et al. Structural and optical properties of zirconium oxide (ZrO2) nanoparticles: effect of calcination temperature //Nano Express. – 2020. – Vol. 1. – No. 1. – P. 010022.Uribe López M. C. et al. Synthesis and characterization of ZnO-ZrO2 nanocomposites for photocatalytic degradation and mineralization of phenol //Journal of Nanomaterials. – 2019. – Vol. 2019. – P. 1-12.Uribe López M. C. et al. Synthesis and characterization of ZnO-ZrO2 nanocomposites for photocatalytic degradation and mineralization of phenol //Journal of Nanomaterials. – 2019. – Vol. 2019. – P. 1-12.Кадыржанов, Қ. и др. Изучение процессов фазовых превращений в многокомпонентных керамиках на основе тугоплавких оксидов Al2O3, ZrO2, TiO2, WO3, Nb2O5 // Вестник КазАТК. – 2023. – Т. 128. – № 5. – С. 482–492.Kadyrzhanov, Қ. i dr. Izuchenie protsessov fazovykh prevrashcheniy v mnogokomponentnykh keramikakh na osnove tugoplavkikh oksidov Al2O3, ZrO2, TiO2, WO3, Nb2O5 // Vestnik KazATK. – 2023. – Vol. 128. – No. 5. – P. 482–492.) (In Russ.)]Wan S. et al. Phase transformation and electrical properties of Bi2O3-based ZnO varistor doped with WO3 // Japanese Journal of Applied Physics. – 2010. – Vol. 49. – No. 6R. – P. 061102.Wan S. et al. Phase transformation and electrical properties of Bi2O3-based ZnO varistor doped with WO3 // Japanese Journal of Applied Physics. – 2010. – Vol. 49. – No. 6R. – P. 061102.Lomakin M. S. et al. Pyrochlore phase in the Bi2O3– Fe2O3–WO3–(H2O) system: Physicochemical and hydrodynamic aspects of its production using a microreactor with intensively swirled flows // Advanced Powder Technology. – 2023. – Vol. 34. – No. 7. – P. 104053.Lomakin M. S. et al. Pyrochlore phase in the Bi2O3– Fe2O3–WO3–(H2O) system: Physicochemical and hydrodynamic aspects of its production using a microreactor with intensively swirled flows // Advanced Powder Technology. – 2023. – Vol. 34. – No. 7. – P. 104053.Ramarao S. D. et al. Structural, morphological and microwave dielectric studies on microwave sintered ZnWO4 ceramic compounds // Ceramics International. – 2023. – Vol. 49. – No. 14. – P. 23075–23081.Ramarao S. D. et al. Structural, morphological and microwave dielectric studies on microwave sintered ZnWO4 ceramic compounds // Ceramics International. – 2023. – Vol. 49. – No. 14. – P. 23075–23081.Равдель А.А. и др. Краткий справочник физикохимических величин. Издание девятое / Под ред. А.А. Равдель и А.М. Понаморевой. – СПБ.: Специальная литература. – 1998 – C. 232.Ravdel' A.A. i dr. Kratkiy spravochnik fiziko-khimicheskikh velichin. Izdanie devyatoe / Pod red. A.A. Ravdel' i A.M. Ponamorevoy. – SPB.: Spetsial'naya literatura. – 1998 – P. 232.) (In Russ.)]The open quantum materials database: [Электронный ресурс]. URL: https://oqmd.org. (Дата обращения: 20.02.2024).The open quantum materials database: [Электронный ресурс]. URL: https://oqmd.org. (Дата обращения: 20.02.2024).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.