论文部分内容阅读
闪烧是一种高电压、低电流的新型场辅助烧结技术。场辅助烧结技术在放射性废物陶瓷固化领域中的应用是目前的研究热点。Gd2Zr2O7因其优异的抗辐照性能和化学稳定性被认为是固化高放废物的理想候选材料。本研究以氧化锆和氧化钆为原料,采用了闪烧技术,在炉温1050℃,闪烧时长30s的条件下制备出了均一的缺陷萤石相Gd2Zr2O7陶瓷固化基体。并对利用X射线衍射、扫描电子显微镜、激光拉曼光谱、透射电镜等表征手段对闪烧制备过程的物相演化、所制备样品的晶体结构、金相、微观形貌、密度、抗浸出性能和α-辐照稳定性进行了系统研究,结果表明:(1)X射线衍射结果展示了 Gd2Zr2O7从最初的混合物生坯经过闪烧过程直至形成最终产物的物相演化过程,结果表明,闪烧合成出的单一物相的Gd2Zr2O7固化基体,为缺陷萤石相,证明了闪烧可以在1050℃的炉温,150V/cm的电场强度、133 mA/mm2的电流密度,以及30s的通电保持时间下制备出Gd2Zr2O7陶瓷。通过扫描电子显微镜金相分析可以得出,随着通电保持时间的增加,闪烧样品的晶粒尺寸增大。所有闪烧制备的Gd2Zr2O7样品相比于传统烧结的样品均具有更小的平均晶粒尺寸。(2)闪烧制备的Gd2Zr2O7固化基体在90℃的温度,28d时间的浸泡条件下,浸出液中基体元素的浓度均很低。浸出液中,相同浸泡天数的Gd元素和Zr元素的归一化浸出率随着样品闪烧通电保持时间的增大而减小。两种元素的归一化浸出率均随浸泡时间的增大而减小。闪烧样品的浸出液与为浸泡固化基体的空白对照组对比,其pH值和电导率均没有明显变化。闪烧样品的浸出液与传统烧结样品的浸出液相比,浸出液中各元素浓度略低,说明闪烧制备的固化基体具有良好的抗浸出性能。(3)闪烧制备的Gd2Zr2O7样品经过热处理后可以由缺陷萤石结构转化为烧绿石结构,X射线衍射和激光拉曼光谱显示,经过不同剂量的α粒子辐照后,Gd2Zr2O7会转化成缺陷萤石结构。从X射线衍射结果来看,随着辐照的离注入量的增大,Gd2Zr2O7的超晶格峰消失,只剩下缺陷萤石结构的特征峰,Gd2Zr2O7的X射线衍射峰向小角度偏移,说明其晶胞参数和晶面间距增大。从总体而言,闪烧制备的Gd2Zr2O7具有较好的抗辐照性能。综上,闪烧作为一种新型的烧结技术,能够制备出物相均一、结构致密、性能良好的固化基体。相比于传统高温固相合成法,闪烧所需的炉温更低、时间更短,并有望运用在其他锆基陶瓷固化基体及其他类型的陶瓷固化基体材料的制备中。