КОМПОЗИТТІК КЕРАМИКАЛАРДЫҢ ФАЗАЛЫҚ ҚҰРАМЫНЫҢ ӨЗГЕРУІНІҢ РАДИАЦИЯЛЫҚ ЗАҚЫМДАРҒА ТӨЗІМДІЛІГІНЕ ӘСЕРІН ЗЕРТТЕУ

Бұл жұмыста ауыр Xe²³⁺ иондарымен (230 МэВ) 10¹¹–10¹⁴ ион/см² флюенстерінде сәулелену кезінде (1−x)Si₃N₄ – xAl₂O₃ композиттік керамикасының беріктік қасиеттерінің тұрақтылығын сақтау нәтижелері ұсынылған. Компоненттердің концентрациясын өзгерту арқылы Si₃N₄, Al₂O₃ сондай-ақ Al₂(SiO₄)O және SiO₂ фазаларының әртүрлі арақатынастағы композиттерін алу мүмкіндігі қарастырылды. Бұл фазалар жоғары температуралық күйдіру кезінде Si₃N₄-тің оттегі бар атмосферада термиялық ыдырауы және фазалық трансформациялар (қатты ерітінділердің түзілуі) нәтижесінде қалыптасады. Сәулелену үшін ион түрін таңдау құрылымдық зақымдану процестерін, атап айтқанда, ядролық отынның бөліну өнімдерінің инертті матрицалы дисперстік ядролық отын материалдарындағы әсеріне ұқсас зақымдану түрлерін модельдеуге бағытталған. Зерттеулер нәтижесінде, 10¹¹– 10¹² ион/см² флюенстерінде сәулелену кезінде құрылымдық өзгерістер, яғни оқшауланған құрылымдықдеформацияланған қосылыстардың қалыптасуы, композиттік керамикалардың беріктік сипаттамаларына айтарлықтай әсер етпейтіні анықталды. Алайда, аздаған өзгерістер деформациялық бұрмалаулардың жинақталуына байланысты, бұл зақымдалған қабаттың тұрақсыздығына алып келеді. Жоғары флюенстерде (10¹² ион/см² жоғары), яғни зақымдалған қабаттағы ақаулардың қабаттасу эффектілері байқалған жағдайда, рентгенофазалық талдау мәліметтері бойынша Al₂(SiO₄)O фазасы басым 0,4 Si₃N₄ – 0,6 Al₂O₃ құрамындағы керамикалар ең жоғары тұрақтылық көрсеткен. Бұл фаза көп мөлшерде дән шекараларының болуын қамтамасыз етіп, дислокациялық беріктенуге ықпал етеді және зақымдалған қабаттың деформациялық бұрмаланулармен байланысты әлсіреу процестерін тежейді.

1. В 1. Geringer J. W. et al. Codes and standards for ceramic composite core materials for High Temperature Reactor applications // Nuclear Engineering and Design. – 2023. – Vol. 405. – P. 112158.

2. Sadiq I., Asim Ali S., Ahmad T. Advanced Hybrid Ceramics for Nuclear and Hydrogen Energy Applications // Chemistry Select. – 2023. – Vol. 8, No. 27. – P. e202300837.

3. Hamilton S. et al. Diffusion study of uranium mononitride/zirconium carbide composite for space nuclear propulsion // Journal of Nuclear Materials. – 2023. – Vol. 583. – P. 154535.

4. Evarts J. S. et al. Ceramic–Metal (Cermet) Composites: A Review of Key Properties and Synthesis Methods Focused on Nuclear Waste Immobilization // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2024. – Vol. 63, No. 14. – P. 6003–6023.

5. Bao W. et al. Evolution of structures and internal stress of ZrC-SiC composite under He ion irradiation and postannealing // Materials Characterization. – 2024. – Vol. 207. – P. 113515.

6. Woolstenhulme N. et al. Nuclear fuels for transient test reactors // Annals of Nuclear Energy. – 2024. – Vol. 204. – P. 110519.

7. Tang Y. et al. He2+ irradiation response of structural evolution at different depths of MgO-Nd2 (Zr1−xCex) 2O7 composite ceramics used for inert matrix fuel // Ceramics International. – 2024. – Vol. 50, No. 5. – P. 8238-8248.

8. Hannachi E. et al. Synthesis, characterization, and performance assessment of new composite ceramics towards radiation shielding applications // Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – Vol. 899. – P. 163173.

9. Simeone D. et al. Characterization of radiation damage in ceramics: Old challenge new issues? // Journal of Materials Research. – 2015. – Vol. 30, No. 9. – P. 1495– 1515.

10. Katoh Y. et al. Radiation-tolerant joining technologies for silicon carbide ceramics and composites // Journal of Nuclear Materials. – 2014. – Vol. 448, No. 1–3. – P. 497– 511.

11. Schmidt S. et al. Advanced ceramic matrix composite materials for current and future propulsion technology applications // Acta Astronautica. – 2004. – Vol. 55, No. 3–9. – P. 409–420.

12. Karadimas G., Salonitis K. Ceramic matrix composites for aero engine applications – a review // Applied Sciences. – 2023. – Vol. 13, No. 5. – P. 3017.

13. Golovkina L. S. et al. Spark Plasma Sintering of fine-grain ceramic-metal composites based on garnet-structure oxide Y2.5Nd0.5Al5O12 for inert matrix fuel // Materials Chemistry and Physics. – 2018. – Vol. 214. – P 516–526.

14. Medvedev P. G. et al. Dual phase MgO–ZrO2 ceramics for use in LWR inert matrix fuel // Journal of Nuclear Materials. – 2005. – Vol. 342, No. 1-3. – P. 48–62.

15. Bai X. et al. Sintering mechanisms of Al2O3-based composite ceramic tools having 25% Si3N4 additions // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2018. – Vol. 73. – P. 132–138.

16. Bai X. et al. Fabrication and characterization of Si3N4 reinforced Al2O3-based ceramic tool materials // Ceramics International. – 2015. – Vol. 41, No. 10. – P. 12798– 12804.

17. Andreev P. V. et al. Physical and Mechanical Properties of Ceramics Based on Si3N4 of Various Dispersion with 3% Y2O3–Al2O3 // Inorganic Materials: Applied Research. – 2024. – Vol. 15, No. 2. – P. 470–479.

18. Jeong K. et al. Fabrication of Si3N4 ceramics by postreaction sintering using Si–Y2O3–Al2O3 nanocomposite particles prepared by mechanical treatment // Ceramics International. – 2016. – Vol. 42, No. 10. – P. 11554– 11561.

19. Lee C. S., Zhang X. F., Thomas G. Novel joining of dissimilar ceramics in the Si3N4–Al2O3 system using polytypoid functional gradients // Acta Materialia. – 2001. – Vol. 49, No. 18. – P. 3775–3780.

20. Yudintsev S. V., Ojovan M. I., Malkovsky V. I. Thermal Effects and Glass Crystallization in Composite Matrices for Immobilization of the Rare-Earth Element–Minor Actinide Fraction of High-Level Radioactive Waste // Journal of Composites Science. – 2024. – Vol. 8, No. 2. – P. 70.

21. Borgekov D. B. et al. Effect of Phase Composition Variation of Oxy-Nitride Composite Ceramics on Heat Resistance and Preservation of Strength Parameters // Crystals. – 2024. – Vol. 14, No. 8. – P. 744.

22. Borgekov D. B. et al. The effect of oxygen vacancies on the optical and thermophysical properties of (1−x) Si3N4– xAl2O3 ceramics // Optical Materials. – 2024. – Vol. 157. – P. 116056.

23. Rymzhanov R. A. et al. Overlap of swift heavy ion tracks in Al2O3 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2018. – Vol. 435. – P. 121–125.

24. Kanjilal D. Swift heavy ion-induced modification and track formation in materials // Current Science. – 2001. – P. 1560–1566.

25. Toulemonde M. et al. Nanometric transformation of the matter by short and intense electronic excitation: Experimental data versus inelastic thermal spike model // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2012. – Vol. 277. – P. 28–39.

26. Amirkhanov I. V. et al. The use of a thermal spike model for temperature calculation in two-layer structures along the projective track of a high-energy heavy ion // Physics of Particles and Nuclei Letters. – 2006. – Vol. 3. – P. 320– 326.