СИНТЕЗ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЯЭУ П.Н. МАРТЫНОВ, Р.Ш. АСХАДУЛЛИН, П.А. ЮДИНЦЕВ, А.А. ОСИПОВ, А.А. СИМАКОВ, А.Ю. ЧАБАНЬ

Государственный научный центр Российской Федерации – Физико энергетический институт им. А.И. Лейпунского (ГНЦ РФ – ФЭИ), г. Обнинск

Метод получения оксидных наноматериалов в среде жидких Pb, Bi, Pb-Bi, Ga

2 стадия.

Окисление растворенного металла водяным паром в соответствии с реакцией:

{Ме’}+ [Me’’]+H 2 О = {Me ’}+<Ме’’

x

О

y

> +H 2

1 стадия.

Растворение в жидком металле (матрице) металла (реагента), обладающего большим сродством к кислороду по сравнению с растворителем и растворимостью в конкретной жидкометаллической среде не менее 0,1 % мас.

{Ме’}+ [Me’’]

Термодинамически обоснованные соединения

• Рассмотрение известных данных по растворимостям металлов в галлии, свинце, висмуте и эвтектическом сплаве наряду с термодинамическими расчетами параметров реакций образования оксидов в перечисленных растворителях свидетельствует о возможности получения большого количества соединений вида

Me x O y

. Так при селективном окислении системы {Ga}-[Me] до 423 K следует ожидать получения

Na 2 O, Al 2 O3, MgO и Pr 2 O 3

. Аналогичные расчеты приводят к выводу о возможности синтеза

TeO 2 , NiO, CdO, CoO, Sb 2 O 3, As 2 O 3 , GeO 2 , K 2 O, ZnO, SnO 2 , Na 2 O, In 2 O 3 Fe 3 O 4 , Li 2 O, SrO, Ba 2 O, MgO, Cr 2 O 3 , Ga 2 O 3, CaO, Mn 3 O 4 , HfO 2 , ThO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , Pu 2 O 3 , Y 2 O 3 , Sm 2 O 3 , La 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Ce 2 O 3 , Ti 3 O 5

и

U 3 O 8

в расплавах свинца, висмута и эвтектики 44.5% Pb - 55.5% Bi до 873 K.

Реально полученные соединения

• К настоящему времени по способу селективного окисления металлических примесей в расплавах галлия, свинца и свинца-висмута получены ультрадисперсные оксиды:

Al 2 O 3 , AlOOH (аэрогель), In 2 O 3 , Fe 3 O 4 , MgO, MoO

и условий их синтеза.

3 , SnO 2 , ZnO, Ga 2 O 3 .

Синтезированные вещества имеют объемный вид (порошки с макрочастицами размером до 500 мкм, аэрогели с линейными размерами образцов до 10 см). Структурные составляющие ультрадисперсных оксидов находятся в пределах от 5 до 200 нм, что зависит от химического состава полученных веществ

Application of semiconductor In 2 O 3 , SnO 2 , Ga 2 O 3 , ZnO oxides for the development of ozone sensors

Чувствительность по О 3 1 ppb

In 2 O 3 , SnO 2 , Ga 2 O 3 , ZnO

Образец In 2 O 3 Микроструктура In 2 O 3

Жидкометаллическая технология синтеза аэрогеля AlOOH

Реакция образования аэрогеля: {Ga} +[Al] + 2(H 2 O)



{Ga} + + 3/2(H 2 ) {Bi} +[Al] + 2(H 2 O) {Pb} +[Al] + 2(H2O)

 

{Bi} + +3/2(H 2 ) {Pb} + +3/2(H2)

• Пористость: 94–99 % об., • Плотность: 13–80 мг/см 3 , • Уд. поверхность (БЭТ): до 800 м 2 /г, • Размер структурных составляющих: 20 –50 нм, • Теплопроводность (при Т = 130 ÷ 1500 К): 0,01 ÷ 0,02 Вт/(м  К), • Удельное электросопротивление: > 4  10 10 Ом  м.

Установка для синтеза ультрапористого оксигидроксида алюминия со слоисто-волокнистой наноструктурой

Влияние добавок аэрогеля AlOOH в порошки Si 3 N 4 (А) и SiC (Б) на свойства получаемых керамических материалов (А) (Б) 1 5 – добавка отсутствует; 2 – 2,0 % мас.; 6 – 0,5 % мас.; – 2,5 % мас.; 7 3 – 1,0 % мас.; – 3,0 % мас.

4 – 1,5 % мас.;

Улучшение характеристик керамических чувствительных элементов - увеличение ресурса более 40 000 часов Керамические (ZrO 2 ) чувствительные элементы датчиков кислорода, полученные с использованием упрочняющих добавок (1% мас.

) наноструктурированного оксида алюминия Основные характеристики:

-

геометрические размеры: диаметр 10; длина – 10÷15 мм; открытая пористость ~ 0 %; Условия испытаний: t min (вода)



20 °С t max (Pb-Bi) = 200 время = 2,5 с ÷280°C

-

плотность – 5,89 ÷ 5,95 г/см 3 (теор. плотность 6,02 г/см термостойкость ~ 100 °С/с Использование оптимальных добавок аэрогеля Al 2 O 3 ∙H 2 O (~ стойкость керамики к термоудару на ~ 20% 3 ); прочность при изгибе (20 °С) – 700 - 900 МПа; 1%) повышает

Исследование влияния добавок аэрогеля AlOOH на свойства таблеток UO 2 Введение добавки аэрогеля AlOOH в порошок диоксида урана позволяет:

- увеличить

механическую прочность спеченных таблеток в 1,5-2 раза;

- увеличить размер зерна

в ~ 1,5 раза (до 25-30 мкм);

- снизить температуру

спекания таблеток.

Применение аэрогеля AlOOH для улучшения свойств силиконовых резин

После внесения добавок в силиконовые резины и проведения испытаний на образцах, зафиксировано значительное увеличение стойкости образцов резины в различных средах (автомобильные масла, бензин, растворители) 70 60 Ксилол, 10 мин (% мас.) Ксилол, 10 мин, (% об) 50 40 30 20 Масло М-12Г, 175°С, 72 ч (% мас.) Масло М-12Г, 175°С, 72 ч (% об) Бензин, 24 часа (% мас.) 10 Бензин, 24 часа (% об) 0 0% 1% 2% 3% Добавка аэрогеля 5%

Жидкометаллическая технология получения наноматериалов. Наноструктурированный аэрогель - AlOOH Золотая медаль «Московского международного салона инноваций и инвестиций», 2005 г.

Золотая медаль «IV специализированной выставки нанотехнологий и материалов», 2007 г.

Перспективные области применения УДМ Тепло- и электро изоляция Ядерное топливо Сенсоры

Области применения полученных УДМ

Сорбенты Катализаторы и их носители Керамические материалы