ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ФАЗОВОГО СОСТАВА И СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ НИТРИДНЫХ КЕРАМИК К ТЕРМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

В работе с применением метода in-situ измерений рентгеновских дифрактограмм была изучена стабильность фазового состава, а также структурных параметров Si₃N₄ керамик в широком температурном диапазоне от 25 до 1400 ℃, охватывающем диапазон рабочих температур при эксплуатации керамик в экстремальных условиях. Основная цель данного исследования заключается в определении фазовых и структурных изменений в Si₃N₄ керамиках в результате термических воздействий, а также определению роли термического воздействия на структурные особенности керамик, связанные с термическим расширением. В ходе проведенных экспериментов было установлено, что термический нагрев образцов в вакууме не приводит к инициализации процессов окисления, характерных для термообработки Si₃N₄ керамик на воздухе, которые сопровождаются формированием оксидной фазы SiO₂. При этом оценка весовых вкладов установленных фаз в составе керамик показала отсутствие какихлибо значимых изменений в соотношении фаз во всем измеряемом диапазоне температур отжига. На основе изменений объемов кристаллической решетки обеих фаз в составе Si₃N₄ керамик была определена величина коэффициента теплового объемного расширения в зависимости от температуры воздействия. Установлено, что средняя величина коэффициента β_V(T) составляет порядка 8,5–10·10⁻⁶ K⁻¹ для обеих установленных фаз в составе, при этом в случае α-Si₃N₄ фазы, изменение величины β_V(T) имеет явно выраженную зависимость от температуры нагрева.

1. Lee W. E. et al. Opportunities for advanced ceramics and composites in the nuclear sector //Journal of the American Ceramic Society. – 2013. – Vol. 96, №. 7. – P. 2005-2030.

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

3. Sauder C. Ceramic matrix composites: nuclear applications //Ceramic matrix composites: materials, modeling and technology. – 2014. – P. 609-646.

4. Lee W. E. et al. Opportunities for advanced ceramics and composites in the nuclear sector //Journal of the American Ceramic Society. – 2013. – Vol. 96, №. 7. – P. 2005-2030.

5. 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, №. 14. – P. 6003-6023.

6. Youinou G. J., Abou-Jaoudé A. Preliminary Conceptual Design of Nuclear Thermal Rocket Reactor Cores Using Ceramic Fuels with Beryllium or Composite Neutron Moderators //Nuclear Science and Engineering. – 2024. – Vol. 198, №. 8. – P. 1534-1565.

7. Kočí J. et al. Effect of long-term high-temperature exposure in a controlled atmosphere on mullite-corundum ceramics for advanced applications in nuclear power technology //Ceramics International. – 2024. – Vol. 50, №. 13. – P. 24273-24280.

8. Ojovan M. I., Yudintsev S. V. Glass, ceramic, and glass-crystalline matrices for HLW immobilisation //Open Ceramics. – 2023. – Vol. 14. – P. 100355.

9. Zhou X. et al. Fabrication of beryllium oxide based fully ceramic microencapsulated nuclear fuels with dispersed TRISO particles by pressureless sintering method //Journal of Nuclear Materials. – 2024. – Vol. 588. – P. 154798.

10. Bocanegra-Bernal M. H., Matovic B. Mechanical properties of silicon nitride-based ceramics and its use in structural applications at high temperatures //Materials Science and Engineering: A. – 2010. – Vol. 527, №. 6. – P. 1314-1338.

11. Komeya K. Materials development and wear applications of Si3N4 ceramics //Improved Ceramics through New Measurements, Processing, and Standards. – 2006. – Vol. 133. – P. 3-16.

12. Carrapichano J. M., Gomes J. R., Silva R. F. Tribological behaviour of Si3N4–BN ceramic materials for dry sliding applications //Wear. – 2002. – Vol. 253, №. 9-10. – P. 1070-1076.

13. Van Vuuren A. J. et al. Microstructural effects of Al doping on Si3N4 irradiated with swift heavy ions //Acta Phys. Pol. A. – 2019. – Vol. 136. – P. 241-244.

14. Canut B. et al. Ion-induced tracks in amorphous Si3N4 films //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2008. – Vol. 266, №. 12-13. – P. 2819-2823.

15. Zak A. K. et al. X-ray analysis of ZnO nanoparticles by Williamson–Hall and size–strain plot methods //Solid State Sciences. – 2011. – Vol. 13, №. 1. – P. 251-256.

16. Nath D., Singh F., Das R. X-ray diffraction analysis by Williamson-Hall, Halder-Wagner and size-strain plot methods of CdSe nanoparticles-a comparative study //Materials Chemistry and Physics. – 2020. – Vol. 239. – P. 122021.

17. Zhumazhanova A. et al. Raman study of polycrystalline Si3N4 irradiated with swift heavy ions //Crystals. – 2021. – Vol. 11, №. 11. – P. 1313.

18. van Vuuren A. J. et al. Analysis of the microstructural evolution of silicon nitride irradiated with swift Xe ions //Ceramics International. – 2020. – Vol. 46, №. 6. – P. 7155-7160.