Искровое плазменное спекание как инновационный подход в создании наноструктурированных керамик нового поколения // НАНОМАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ - VI: Труды VI Международной конференции «Наноматериалы и технологии», V Международной конференции по материаловедению и II Международной конференции по функциональным материалам (22.08.2016 – 26.08.2016, Улан-Удэ). Научный редактор: Дамдинов Б. Б., Сызранцев В. В. , - Улан-Удэ: Издательство Бурятский государственный университет, 2016. - С. 82-90.
Искровое плазменное спекание как инновационный подход в создании наноструктурированных керамик нового поколения
Spark Plasma Sintering as Innovative Approach in Fabrication of the New Generation of Nanostructured Ceramics
В настоящей работе представлены результаты по ИПС синтезу различного типа керамических материалов для широкого промышленного назначения. Высокое качество керамик достигается за счет оригинальности предлагаемого подхода, который основан на комбинировании ИПС технологии совместно с другими методами неорганического синтеза, например с золь-гель технологией. Предлагаемый подход позволяет на первоначальном этапе синтезировать наноструктурированные порошки неорганических материалов, последующее консолидирование которых методом ИПС обеспечивает формирование наноструктурированной керамики с уникальными физико-химическими характеристиками и свойствами. Согласно данному подходу синтезирована магнитная керамика на основе наноструктурированного гематита, обладающая исключительными магнитными (намагниченность насыщения до 10,2 эме/г) и прочностными (предел прочности до 249 МПа) характеристиками, которая востребована в электротехнике. На основе наноструктурированного волластонита получена высокопрочная (предел прочности ~172 Мпа) биокерамика обладающая бимодальной пористой структурой (размер пор 100-500 нм и 1-5 мкм), которая подобна текстуре костной ткани и перспективная для практикующей медицины. Показана перспективность применения ИПС технологии для создания высокоплотных керамических материалов для иммобилизации опасных радионуклидов, в частности синтезированы цеолит-керамические матрицы с иммобилизованным цезием, которые характеризуются низкой выщелачиваемостью по цезию (до 10-7 г/см2*сут) и высокой механической прочностью (до 500 МПа).
The work presents the results of the SPS synthesis of various types of ceramics for wide industrial applications. High quality of the ceramics has been achieved via original approach based on the combination of SPS technology together with other methods of
inorganic synthesis, e.g. sol-gel technology. The suggested approach allows producing nanostructured powder of inorganic materials during the first stage. Consequent SPS consolidation ensures the formation of nanostructured ceramics with unique physic-chemical
characteristics and properties. According to the suggested approach magnetic ceramics has been synthesized on the basis of nanostructured hematite, it possesses outstanding magnetic (magnetization of saturation value to 10,2 emu/g) and mechanical
(mechanical strength to 249 MPa) properties which is in demand in electrical engineering. Based on nanostructured wollastonite the bioceramics of high mechanical strength with bimodal porous structure (pore sizes 100-500 nm and 1-5 µm) imitating bone tissue texture and prospective for practical medicine has been obtained. The perspective of applying SPS for fabrication of highly-dense ceramic compounds for immobilization of radionuclides has been shown, in particular, zeolite ceramic matrices has been synthesized with immobilized cesium that are characterized by low leachability with respect to cesium (to 10-7 g/sm2*day) and by high mechanical strength (to 500 MPa).
spark plasma sintering, magnetic ceramics, radionuclide immobilization, bioceramics.
1.Roberto Orru, Roberta Licheri, Antonio Mario Locci, Alberto Cincotti, Giacomo Cao. Consolidation/synthesis of materials by electric current activated/assisted Sintering // Materials Science and Engineering R, 63, 127–287(2009)
2.Tokita M. Trends in Advanced SPS Spark Plasma Sintering Systems and Technology. // J Soc Pow Tech Jay 30, 790-794 (1993)
3.Zuhair A. Munir, Dat V. Quach. Electric Current Activation of Sintering: A Review of the Pulsed Electric Current Sintering Process // J. Am. Ceram. Soc., 94 (1), 1–19 (2011)
4.Nanoscale Magnetic Materials and Applications / edited by J. Ping Liu, Eric Fullerton, Oliver Gutfleisch, D.J. Sellmyer. –2009. – Springer US. ISBN: 978-0-387-85598-1, DOI 10.1007/978-0-387-85600-1. – p.719
5.K. H. J. Buschow, F. R. de Boer. Physics of Magnetism and Magnetic Materials – 2003 – Springer US ISBN: 978-1-4757-0567-610.1007/b100503 – p. 182
6.Modern techniques for characterizing magnetic materials / edited by Yimei Zhu. – 2005. -Springer US. – ISBN: 978-1-4020-8007-4. DOI. 10.1007/b101202 – p.583
7.Nanostructured Magnetic Materials and their Applications. Series II: Mathematics, Physics and Chemistry. / edited by Bekir Aktaş, Lenar R. Tagirov, Faik Mikailov – 2004 – Springer Netherlands ISBN: 978-1-4020-2004-9 DOI 10.1007/978-1-4020-2200-5 – p.443
8.Chunlong Fei, Yue Zhang, Zhi Yang, Yong Liu, Rui Xiong, Jing Shi. Xuefeng Ruan. Synthesis and magnetic properties of hard magnetic (CoFe2O4)–soft magnetic (Fe3O4) nano-composite ceramics by SPS technology // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 323, 1811–1816(2011)
9.W. Chen, U. Anselmi-Tamburini, J.E. Garay, J.R. Groza, Z.A. Munir. Fundamental investigations on the spark plasma sintering/synthesis process I. Effect of dc pulsing on reactivity // Materials Science and Engineering A, 394, 132–138(2005)
10. Zhoungwu Wang, S.K. Saxena. Pressure induced phase transformations in nanocrystaline maghemite (γ-Fe2O3) // Solid State Communications, 123, 195-200(2002)
12. Saravanan P., Hsu Jen-Hwa, Sivaprahasam D., Kamat S.V.. Structural and magnetic properties of γ-Fe2O3 nanostructured compacts processed by spark plasma sintering // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 346, 175–177(2013)
13. Anthony Bertrand, Julie Carreaud, Gaëlle Delaizir, Jean-René Duclere, Maggy Colas, Julie Cornette, Marion Vandenhende, Vincent Couderc, Philippe Thomas. A Comprehensive Study of the Carbon Contamination in Tellurite Glasses and Glass-Ceramics Sintered by Spark Plasma Sintering (SPS) // J. Am. Ceram. Soc., 97 (1) 163–172 (2013) doi: 10.1111/jace.12657
14. Goss C.J., Saturation magnetisation, coercivity and lattice parameter changes in the system Fe3O4 –γ-Fe2O3, and their relationship to structure // Physics and Chemistry of Minerals, 16, 164–171(1988)
16. Papynov E.K., Tkachenko I.A., Portnyagin A.S., Modin E.B., Avramenko V. A. Fabrication of magnetic ceramic materials based on nanostructured hematite powder by Spark Plasma Sintering // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 11(9), 5864-5870 (2016)
17. Papynov E.K., Mayorov V.Yu., Portnyagin A.S., Shichalin O.O., Kobylyakov S.P., Kaidalova T.A., Nepomnyashiy A.V., Sokol׳nitskaya T.A., Zub Yu.L., Avramenko V.A.. Application of carbonaceous template for porous structure control of ceramic composites based on synthetic wollastonite obtained via Spark Plasma Sintering // Ceramics International, 41(1, Part B), 1171–1176 (2015)
18. Папынов Е.К., Майоров В.Ю., Модин Е.Б., Каплун Е.В., Сокольницкая Т.А., Авраменко В.А. Темплатный синтез пористых моносиликатов кальция с использованием силоксан-акрилатных эмульсий // Фундаментальные исследования. 2015. №12. С. 505-510
19. Long L.H., Chen L.D., Bai S.Q., Chang J., Lin K.L., Preparation of dense β-CaSiO3 ceramic with high mechanical strength and Hap formation ability in simulated body fluid // J. Eur. Ceram. Soc., 26, 1701-1706(2006)
20. Maryasev I.G., Mikhailovskaya L.M., Bocharov L.D., Chaika E.F., Tereshchenko D.A., Platonov A.A., Platonova G.R., Pores: their classification and role in actual refractory material structures // Refract. Ind. Ceram. 52, 202-211(2011)
21. Булатов В.И., Калюжная Т.А., Кузубова Л.И., Лаврик О.Л. Радиоактивные отходы: экологические проблемы и управление: библиогр. обзор в 3 ч . Ч. 2. Хранение радиоактивных отходов. Н., 1998. – 229 с.
22. Trocellier P., Delmas R. Chemical durability of zircon // Nucl Instr and Met in Phys Res Bull, 181, 408-412 (2001)
23. Жиганов А.И., Гузеев В.В., Андреев Г.Г. Технология диоксида урана для керамического ядерного топлива – Томск: STT, 2002. -328 с.