Асхадуллин Р.Ш., начальник отдела ГНЦ РФ

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 – Физикоэнергетический 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’’]+H2О =
{Me’}+<Ме’’xОy > +H2
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 MexOy. Так при селективном
окислении системы {Ga}-[Me] до 423 K следует ожидать
получения Na2O, Al2O3, MgO и Pr2O3. Аналогичные расчеты
приводят к выводу о возможности синтеза TeO2, NiO, CdO, CoO,
Sb2O3, As2O3, GeO2, K2O, ZnO, SnO2, Na2O, In2O3 Fe3O4, Li2O,
SrO, Ba2O, MgO, Cr2O3, Ga2O3, CaO, Mn3O4, HfO2, ThO2, ZrO2,
Al2O3, Pu2O3, Y2O3, Sm2O3, La2O3, Nd2O3, Ce2O3, Ti3O5 и U3O8 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: Al2O3, AlOOH (аэрогель),
In2O3, Fe3O4, MgO, MoO3, SnO2, ZnO, Ga2O3.
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
и условий их синтеза.
Application of semiconductor In2O3, SnO2, Ga2O3, ZnO oxides for the
development of ozone sensors
Чувствительность
In2O3, SnO2, Ga2O3, ZnO
по О3 1 ppb
100
100nm
nm
Образец In2O3
Микроструктура In2O3
Жидкометаллическая технология
синтеза аэрогеля AlOOH
Реакция образования аэрогеля:
{Ga} +[Al] + 2(H2O)  {Ga} + <AlOOH> + 3/2(H2)
{Bi} +[Al] + 2(H2O)  {Bi} + <AlOOH> +3/2(H2)
{Pb} +[Al] + 2(H2O)  {Pb} + <AlOOH> +3/2(H2)
• Пористость: 94–99 % об.,
• Плотность: 13–80 мг/см3,
• Уд. поверхность (БЭТ):
до 800 м2/г,
• Размер структурных составляющих:
20–50 нм,
• Теплопроводность
(при Т = 130 ÷ 1500 К): 0,01 ÷ 0,02 Вт/(м К),
• Удельное электросопротивление:
> 4  1010 Ом м.
Установка для синтеза ультрапористого оксигидроксида
алюминия со слоисто-волокнистой наноструктурой
Влияние добавок аэрогеля AlOOH в порошки Si3N4 (А) и SiC (Б)
на свойства получаемых керамических материалов
(А)
(Б)
1 – добавка отсутствует; 2 – 0,5 % мас.; 3 – 1,0 % мас.; 4 – 1,5 % мас.;
5 – 2,0 % мас.; 6 – 2,5 % мас.; 7 – 3,0 % мас.
Улучшение характеристик керамических чувствительных
элементов - увеличение ресурса более 40 000 часов
Керамические (ZrO2) чувствительные элементы датчиков кислорода,
полученные с использованием упрочняющих добавок (1%мас.)
наноструктурированного оксида алюминия
Основные характеристики:
Условия испытаний:
tmin(вода)  20°С
t max (Pb-Bi) = 200 ÷280°C
время = 2,5 с
- геометрические размеры:
диаметр 10; длина – 10÷15 мм;
- открытая пористость ~ 0 %;
- плотность – 5,89 ÷ 5,95 г/см3
(теор. плотность 6,02 г/см3);
- прочность при изгибе (20 °С) – 700 - 900 МПа;
- термостойкость ~ 100 °С/с
Использование оптимальных добавок аэрогеля Al2O3∙H2O (~ 1%) повышает
стойкость керамики к термоудару на ~ 20%
Исследование влияния добавок аэрогеля AlOOH
на свойства таблеток UO2
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)
% изменения массы или объема
70
Ксилол, 10 мин (% мас.)
60
Ксилол, 10 мин, (% об)
50
40
Масло М-12Г, 175°С, 72 ч
(% мас.)
30
Масло М-12Г, 175°С, 72 ч
(% об)
20
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
Области
применения
полученных
УДМ
Катализаторы
и их носители
Тепло- и электроизоляция
Керамические
материалы
Ядерное топливо
Сенсоры
Сорбенты