DETERMINATION OF THE EFFECT OF SIZE FACTOR AND PHASE COMPOSITION IN LITHIUM-CONTAINING CERAMICS ON RESISTANCE TO EXTERNAL MECHANICAL AND THERMAL INFLUENCES

В работе представлены данные исследования влияния размерных факторов, обуславливающих изменение дислокационной плотности, а также фазового состава двухфазных литийсодержащих керамик на основе метацирконата лития на прочностные характеристики керамик, а также устойчивость к высокотемпературным испытаниям. В качестве факторов упрочнения при оценке прочностных свойств, а также устойчивости к температурным воздействиям рассматривались размерный эффект, дислокационная плотность и наличие межфазных границ, изменение которых обусловлено эффектом вариации фазового состава керамик. В ходе проведенных исследований было установлено, что изменение скорости перемалывания выше 400 оборот/мин приводит к более чем двукратному уменьшению размеров зерен, что в свою очередь увеличивает дислокационную плотность, изменение которой является упрочняющим фактором для повышения твердости и трещиностойкости. При определении прочностных характеристик было установлено, что изменение фазового состава за счет доминирования фазы Li₆Zr₂O₇ в составе керамик приводит к увеличению значений твердости и устойчивости к растрескиванию за счет увеличения межфазных границ, которые служат дополнительными барьерами для распространения микротрещин при внешних воздействиях. В ходе проведенных экспериментов по определению устойчивости к длительному термическому отжигу и тестов на термостойкость было установлено, что уменьшение размеров зерен менее 250 нм для всех трех типов исследуемых керамик приводит к увеличению устойчивости к деградации прочностных свойств за счет дислокационного упрочнения, а также наличия межфазных границ, которое наиболее проявлено для образцов с доминированием фазы Li₆Zr₂O₇ в составе керамик.

1. Zhou, Qilai, et al. Solution combustion synthesis of lithium orthosilicate as the tritium breeder: effects of microwave power and fuel-to-oxidizer ratio on phase, microstructure and sintering // Ceramics International. – 2021. – V. 47.15. – P. 22006–22015.

2. Zhou, Qilai, 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.

3. Dang, Chen, et al. A promising tritium breeding material: Nanostructured 2Li2TiO3-Li4SiO4 biphasic ceramic pebb les // Journal of Nuclear Materials. – 2018. V. 500. – P. 265–269.

4. Cheng, Baiyun, et al. Fabrication, sintering behavior, and strength of tritium breeding ceramic pebbles with Pb addi tion // Ceramics International. – 2024. – V. 50.15. – P. 27389–27402.

5. Chen, Ruichong, et al. Influence of sintering atmosphere on phase, microstructure and mechanical properties of Li4Si0.7Ti0.3O4 tritium breeding ceramics // Ceramics International. – 2023. – V. 49.5. –P. 7623–7629.

6. Zhao, Linjie, et al. Tritium release in Li4SiO4 and Li4.2Si0.8Al0.2O4 ceramics // Journal of Nuclear Materials. – 2016. – V. 482. – P. 42–46.

7. Gong, Yichao, et al. A comprehensive study on Li4Si1−xTixO4 ceramics for advanced tritium breeders // Journal of Advanced Ceramics. –2020. – V. 9. – P. 629 640.

8. Hirata, Shiori, et al. Tritium recovery behavior for tritium breeder Li4SiO4-Li2TiO3 biphasic material // Journal of Nuclear Materials. – 2022. – V 567. – P. 153838.

9. Kulsartov, Timur, et al. High-temperature interaction of water vapor with lithium ceramics Li2TiO3 // Nuclear Materials and Energy. – 2024. – V. 38. – P. 101612.

10. Kapychev, V., V. Tebus, and V. Frolov. Influence of neut ron irradiation on the strength characteristics of lithium ceramic pellets for fusion reactor blankets // Journal of nuclear materials. – 2002. – V. 307. – P. 823–826.

11. Tan, Guangfan, et al. Densification behavior and proper ties of Li4SiO4 ceramic breeder with the addition of SiC as a sintering aid // Ceramics International. – 2023. – V. 49.4. – P. 6843–6855.

12. Yang, Mao, et al. Tritium release behavior of Li2TiO3 and 2Li2TiO3-Li4SiO4 biphasic ceramic pebbles fabricated by microwave sintering // Fusion Engineering and Design. – 2021. – V. 168. – P. 112390.

13. Chen, Ruichong, et al. Effects of water adsorption on tritium release behavior of Li4TiO4 and Li4TiO4-Li2TiO3 core-shell structure breeding ceramics // Fusion Engine ering and Design. – 2023. – V. 187. – P. 113374.

14. Rao, G. Jaya, et al. Fabrication of Li4SiO4-Li2ZrO3 composite pebbles using extrusion and spherodization technique with improved crush load and moisture stability // Journal of Nuclear Materials. – 2019. – V. 514. – P. 321–333.

15. Shlimas, Dmitriy I., et al. Study of the Surface-Layer Softening Effects in xLi2ZrO3–(1−x)Li4SiO4 Ceramics under Irradiation with He + 2 Ions // Ceramics. – 2024. – V. 7.2. – P. 547–561.

16. Wang, Hailiang, et al. Fabrication of nanostructured Li2TiO3 ceramic pebbles as tritium breeders using powder particles synthesised via a CTAB-assisted method // Cera mics International. – 2017. – V. 43.7. – P. 5680–5686.

17. Tan, Guangfan, et al. Tritium release performance of biphasic Li2TiO3-Li4SiO4 ceramic pebbles fabricated by centrifugal granulation method // Ceramics International. – 2024.

18. Wang, Hailiang, et al. An innovative process for synthesis of superfine nanostructured Li2TiO3 tritium breeder cera mic pebbles via TBOT hydrolysis–solvothermal method // Ceramics International. – 2019. – V. 45.5. – P. 5189 5194.

19. Kubin, L. P., and B. Devincre. From dislocation mecha nisms to dislocation microstructures and strain hardening // Deformation-Induced Microstructures: Analysis and Relation to Properties. – 1999. – P. 61–83.

20. Barlat, F., et al. A simple model for dislocation behavior, strain and strain rate hardening evolution in deforming aluminum alloys // International journal of Plasticity. – 2002. – V 18.7. – P. 919–939.

21. Rao, G. Jaya, et al. Fabrication of Li4SiO4-Li2ZrO3 composite pebbles using extrusion and spherodization technique with improved crush load and moisture stability // Journal of Nuclear Materials. – 2019. – V 514. – P. 321 333.

22. Avila, R. E., L. A. Peña, and J. C. Jiménez. Surface desorption and bulk diffusion models of tritium release from Li2TiO3 and Li2ZrO3 pebbles // Journal of nuclear materials. – 2010. – V. 405.3. – P. 244–251.

23. Abyshev, Bauyrzhan K., Sholpan G. Giniyatova, and Artem L. Kozlovskiy. Effects of Composition Variations on Mechanochemically Synthesized Lithium Metazirco nate-Based Ceramics and Their Resistance to External Influences // Ceramics. – 2023. – V. 6.4. – P. 2394–2406.

24. Kenzhina, Inesh, et al. Effect of dislocation density-asso ciated strengthening factors on the thermal stability of composite ceramics // Physical Sciences and Technology. – 2024. – V. 11.1-2. – P. 23–31.

25. Liang, Hao, et al. Achieving dislocation strengthening in hafnium carbide through high pressure and high tempera ture // The Journal of Physical Chemistry. – 2021. – V. 125.43. – P. 24254–24262.

26. Chen, Ruichong, et al. Fabrication of high strength Li-rich 2Li2TiO3–Li4SiO4 composite breeding ceramics at low temperature by two-step sintering // Ceramics Internatio nal. – 2022. – V. 48.20. – P. 29944–29950.

27. Kenzhina, Inesh E., et al. Study of Gas Swelling Processes under Irradiation with Protons and He + 2 Ions in Li4SiO4 Li2TiO3 Ceramics // Crystals. – 2023. – V 13.10. – P. 1526.

28. Chen, Xin, et al. Enhancing properties of Li2TiO3/Li4SiO4 tritium breeding ceramics by chitosan addition // Nuclear Materials and Energy. – 2023. – V. 37. – P. 101515.

29. Wang, Hailiang, et al. Influence of helium ion radiation on the nano-grained Li2TiO3 ceramic for tritium breeding // Ceramics International. – 2021. – V. 47.20. – P. 28357 28366.

30. Chen, Ruichong, et al. Microstructure and phase evolution of Li4TiO4 ceramics pebbles prepared from a nanostructu red precursor powder synthesized by hydrothermal method // Journal of Nuclear Materials. – 2018. – V. 508. – P. 434–439.

31. Hong, Ming, et al. Synthesis of Li2TiO3 by sol–gel com bustion method and its gel-casting formation // Journal of Nuclear Materials. – 2014. – V. 455.1-3. – P. 311–315.

32. Gong, Yichao, et al. Enhancing the density and crush load of Li2TiO3 tritium breeding ceramic pebbles by adding LiNO3-Li2CO3 // Annals of Nuclear Energy. – 2024. – V. 196. – P. 110251.