ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ ЭВОЛЮЦИИ И УПРОЧНЕНИЯ КЕРАМИК НА ОСНОВЕ Li₂TiO₃, ДОПИРОВАННЫХ LiNbO₃

Были изучены керамические материалы на основе метатитаната лития (Li₂TiO₃), модифицированные ниобатом лития (LiNbO₃) в диапазоне концентраций 0,05–0,25 М. Синтез проводился методом механической активации в планетарной мельнице при скоростях измельчения 150–600 об/мин с шагом 50 об/мин, с последующей термической стабилизацией при 700 °C в течение 5 часов. Целью работы было определение зависимости между концентрацией легирующей примеси, энергией механической обработки и структурно-механическими свойствами полученной керамики.

Фазовый состав и структурные параметры изучались методом рентгеновской дифракции, а морфологические особенности керамики – методом сканирующей электронной микроскопии. Как видно, образование двухфазной системы, включающей моноклинную фазу Li₂TiO₃ и ромбоэдрическую фазу LiNbO₃, сопровождается увеличением вариации содержания легирующей примеси, одновременно с изменением параметров кристаллической решетки и уменьшением размера областей когерентного рассеяния. Анализ методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показал выраженные изменения морфологии керамики при добавлении LiNbO₃ в зависимости от концентрации допанта. Увеличение скорости механической активации до 600 об/мин и увеличение концентрации легирующей добавки до 0,25 М приводит к созданию мелкозернистой композитной микроструктуры, где наблюдается улучшение прочностных характеристик по сравнению с нелегированным материалом.

Полученные данные показывают, что сочетание изменения содержания LiNbO₃ и параметров механической активации является одним из наиболее эффективных инструментов контроля фаз и прочности литийсодержащих керамических материалов, что открывает огромные возможности для оптимизации в высокотемпературных энергетических приложениях.

1. Ipponsugi A., Katayama K., Hoshino T. Tritium release behavior from neutron-irradiated Li2+xTiO3+y with 20wt% Li2ZrO3 pebbles under different atmospheres //Fusion Engineering and Design. – 2023. – V. 194. – P. 113825. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2023.113825

2. Peng J. et al. Lead molar fraction: A key factor influencing the phase composition and mechanical properties of lithium lead titanate tritium breeder via solid-state route // Ceramics International. – 2025. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.09.254

3. Panchal M., Patel H., Chaudhuri P. Study of effective thermal conductivity of compressed lithium metatitanate pebble beds at high temperature //Fusion Engineering and Design. – 2024. – V. 205. – P. 114573. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2024.114573

4. Mukai K., Yasumoto M., Terai T. Lithium vapor chemistry of hyper-stoichiometric lithium metatitanate Li2.12(2)TiO3+y //The Journal of Physical Chemistry. – 2020. – V. 124. – №. 20. – P. 10870-10877. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c02454

5. Tan G. et al. Scalable fabrication and deuterium release properties of Li2TiO3-Li2ZrO3 ceramic pebbles via centrifugal granulation //Journal of Nuclear Materials. – 2025. – V. 615. – P. 155933. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2025.155933

6. Guo H. et al. Synthesis, characterization and sintering of Li2TiO3 nanoparticles via low temperature solid-state reaction //Ceramics International. – 2020. – V. 46. – №. 2. – P. 1816-1823. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.09.157

7. Anikiev A. A. et al. Parametrization of nonstoichiometric lithium niobate crystals with different states of defectivity // Optical materials. – 2021. – V. 111. – P. 110729. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110729

8. Weis R. S., Gaylord T. K. Lithium niobate: Summary of physical properties and crystal structure //Applied Physics A. – 1985. – V. 37. – №. 4. – P. 191-203. https://doi.org/10.1007/BF00614817

9. Zhang Y. et al. Lithium Niobate Crystal Preparation, Properties, and Its Application in Electro-Optical Devices // Inorganics. – 2025. – V. 13. – №. 9. DOI: 10.3390/inorganics13090278

10. Sánchez-Dena O. et al. Lithium niobate single crystals and powders reviewed—Part I //Crystals. – 2020. – V. 10. – №. 11. – P. 973. https://doi.org/10.3390/cryst10110973

11. Kataoka K. et al. Crystal growth and structure refinement of monoclinic Li2TiO3 //Materials Research Bulletin. – 2009. – V. 44. – №. 1. – P. 168-172. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2008.03.01

12. Palmero P. Structural ceramic nanocomposites: a review of properties and powders’ synthesis methods //Nanomaterials. – 2015. – Т. 5. – №. 2. – С. 656-696. https://doi.org/10.3390/nano5020656

13. Zhou Q. et al. Effect of neutron dose on the tritium release behavior of Li2TiO3–0.5Li4SiO4 biphasic ceramic // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – V. 48. – №. 11. – P. 4363-4370. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.11.009

14. Suryanarayana C. Mechanical alloying and milling //Progress in materials science. – 2001. – V. 46. – №. 1-2. – P. 1-184. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(99)00010-9

15. Meyers M. A., Mishra A., Benson D. J. Mechanical properties of nanocrystalline materials //Progress in materials science. – 2006. – V. 51. – №. 4. – P. 427-556. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2005.08.003

16. Shlimas D. I. et al. The influence of variation in the ratio of components in two-phase lithium-containing ceramics on defect formation processes //Nuclear Materials and Energy. – 2025. – P. 101980. https://doi.org/10.1016/j.nme.2025.101980

17. Guo S. et al. Development of fine-grained Li2(Ti,Zr) O3-Li4SiO4 biphasic ceramic pebbles via a solid solutioncomposite dual strategy //Ceramics International. – 2026. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.04.242