ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ВАРИАЦИИ ФАЗОВОГО СОСТАВА КОМПОЗИТНЫХ КЕРАМИК НА УСТОЙЧИВОСТЬ К РАДИАЦИОННЫМ ПОВРЕЖДЕНИЯМ

В работе представлены результаты исследования влияния вариации фазового состава композитных (1−x)Si₃N₄ – xAl₂O₃ керамик на сохранение устойчивости прочностных свойств в случае облучения тяжелыми ионами Xe²³⁺ (230 МэВ) при флюенсах 10¹¹–10¹⁴ ион/см² . Вариация концентрации компонент была выбрана с учетом возможности получения композитных керамик с различным соотношением фаз: Si₃N₄, Al₂O₃,а также Al₂(SiO₄)O и SiO₂, формирование которых в составе керамик связано с процессами термического разложения Si₃N₄ при высокотемпературном отжиге в кислородосодержащей атмосфере и фазовых трансформаций по типу формирования твердых растворов. Выбор типа ионов для облучения обусловлен возможностями моделирования процессов структурных повреждений, приводящих к разупрочнению поврежденного слоя, сравнимых с воздействием осколков деления ядерного топлива в керамиках – материалах инертных матриц дисперсного ядерного топлива. В ходе проведенных исследований, установлено, что при флюенсах облучения 10¹¹– 10¹² ион/см² структурные изменения, связанные с формированием одиночных изолированных структурнодеформированных включений не приводит к существенным изменениям прочностных характеристик керамик, при этом малые изменения наблюдаемые связаны с деформационными искажениями, накопление которых приводит к дестабилизации поврежденного слоя. В случае более высоких флюенсов облучения (выше 10¹² ион/см² ) для которых характерно формирование эффектов перекрытия дефектных областей в поврежденном слое, наибольшей устойчивостью к разупрочнению обладают керамики 0,4 Si₃N₄ – 0,6 Al₂O₃, в которых согласно данным рентгенофазового анализа доминирующей фазой является Al₂(SiO₄)O, наличие которой обуславливает большое количество границ зерен, что в свою очередь приводит к дислокационному упрочнению и сдерживанию процессов разупрочнения, связанного с деформационными искажениями поврежденного слоя.

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.