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【6h】

锶、铈共掺的NZP型磷酸盐陶瓷固化体的制备及其结构研究

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目录

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1 绪论

1.1 高放废液概述

1.2高放废液的处理方式

1.2.1 高放废液的玻璃固化

1.2.2 高放废液的玻璃陶瓷固化

1.2.3 高放废液的陶瓷固化

1.3 NZP型材料

1.3.1 NZP型材料的结构特点

1.3.2 NZP型材料的性能特点

1.3.3 NZP型材料的国内外研究现状

1.4.1 选题依据

1.4.2 研究内容

1.4.3 技术路线

2 样品制备与性能测试

2.1 样品制备

2.2 实验原料及仪器设备

2.3.1表观密度的测定

2.3.2维氏硬度测试

2.3.3物相组成的测定

2.3.4傅里叶变换红外光谱(IR)分析

2.3.5 拉曼光谱(Raman)分析

2.3.6扫描电子显微镜和能谱(SEM-EDS)分析

2.3.7 固化体化学稳定性测试

3 NaZr2(PO4)3固化基材的制备及其致密化研究

3.1 研究背景

3.2 温度对NZP固化基材制备的影响

3.3 温度对NZP固化基材相对密度的影响

3.4.1 ZnO对NZP样品相对密度的影响

3.4.2 ZnO对NZP样品维氏硬度的影响

3.5 ZnO对NZP样品物相组成的影响

3.6.1 ZnO加入后NZP样品的红外分析

3.6.2 ZnO加入后NZP样品的拉曼分析

3.7 ZnO对NZP样品微观形貌的影响

3.8 NZP固化基材的能谱分析

3.8.1 NZP固化基材的EDS点扫分析

3.8.2 NZP固化基材的EDS面扫分析

3.9 本章小结

4 掺Sr的NZP陶瓷固化体的制备及表征

4.1研究背景

4.2 Sr-NZP陶瓷固化体的物相分析

4.2.1 Sr-NZP陶瓷固化体的XRD分析

4.2.2 Sr-NZP陶瓷固化体的XRD精修

4.3 Sr-NZP陶瓷固化体的红外分析

4.4 Sr-NZP陶瓷固化体的拉曼分析

4.5 Sr-NZP陶瓷固化体的表观密度分析

4.6 Sr-NZP陶瓷固化体的维氏硬度分析

4.7 Sr-NZP陶瓷固化体的扫描电镜分析

4.8.1 EDS点扫分析

4.8.2 EDS面扫分析

4.9 Sr-NZP陶瓷固化体的化学稳定性分析

4.10本章小结

5 Sr、Ce共掺的NZP型陶瓷固化体的制备及结构研究

5.1研究背景

5.2 Sr、Ce共掺的陶瓷固化体的物相分析

5.3 Sr、Ce共掺的陶瓷固化体的红外分析

5.4 Sr、Ce共掺的陶瓷固化体的拉曼分析

5.5 Sr、Ce共掺的陶瓷固化体的密度分析

5.6 Sr、Ce共掺的陶瓷固化体的硬度分析

5.7 Sr、Ce共掺的陶瓷固化体的扫描电镜分析

5.8.1 EDS点扫分析

5.8.2 EDS面扫分析

5.9 Sr、Ce共掺的陶瓷固化体的化学稳定性分析

5.10 小结

6总结与展望

6.1 全文总结

6.2 下一步工作建议

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

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摘要

高放废液中所含放射性核素种类多,放射毒性大,释热率高,其处理和处置一直是研究的难点。目前比较安全的处置方式是将其固化在性质稳定的材料中,再进行深地质埋藏。NZP 作为一种具有丰富离子取代性的磷酸盐陶瓷材料,其结构稳定,物理化学性能优良,是一种潜在的多元核素固化基材。  本文以 Sr2+离子模拟二价裂变核素,Ce4+离子模拟四价锕系核素,通过添加 ZnO作为烧结助剂,利用微波辅助的固相法制备了 Sr、Ce 共掺的NZP 陶瓷固化体。结合XRD、Rietveld结构精修、IR和Raman分析样品的物相组成和显微结构,利用SEM-EDS观察样品的微观形貌,通过测量陶瓷的密度和维氏硬度分析样品的物理性能,利用PCT法评价固化体的化学稳定性。本文围绕固化体的制备工艺,物相组成,显微结构等方面开展了以下工作:  (1)NZP 固化基材的制备及致密化研究。系统研究了加入不同 ZnO 含量,不同微波烧结温度对样品的物相组成、微观形貌和力学性能的影响。结果表明:微波辅助的固相法比传统固相法省时节能,在900~1200℃的微波烧结温度范围内都能得到单一的NZP相;加入ZnO显著提高了样品的致密性和维氏硬度;当其掺入量为1 wt%时,在1100℃/2 h能成功制备出物相单一,断面形貌规整,结构致密无气孔的NZP陶瓷。  (2)掺Sr的NZP陶瓷固化体的制备及表征。按配方Na1-2xSrxZr2(PO4)3(x=0,0.1,0.2,0.25,0.3,0.4,0.5)制备了掺Sr的NZP样品。研究表明:随着Sr含量的增加,物相逐渐从NZP相转变为SrZP相,空间群由R3?c变成R3?。制备的样品晶粒大小均匀,断面平整,结构致密,无气孔,样品中各元素分布均匀。Sr在NZP结构中固溶量较大,可全部取代 Na 位。Sr-NZP 陶瓷固化体的化学稳定性良好,样品中各元素浸出率 LRi的数量级仅为10-3~10-7。  (3)Sr、Ce共掺的NZP陶瓷固化体的制备及表征。固定Sr的含量为0.5,改变Ce的掺入量,制备Sr0.5Zr2-yCey(PO4)3(y=0,0.05,0.1,0.2)陶瓷固化体。研究表明:Ce含量的改变对陶瓷固化体的物理性能影响不大,模拟核素Ce主要以CePO4相存在于NZP陶瓷晶界上,与SrZP兼容性良好。样品晶粒大小均匀,断面平整,结构致密,几乎无气孔,样品中各元素分布均匀,且样品的化学稳定性良好,元素归一化浸出率的数量级为10-3~10-7。  本课题采用微波辅助固相烧结,通过加入适量的ZnO作为烧结助剂,解决了传统固相法合成NZP型材料周期长,制备温度高的困难,且制备的NZP型固化体结构致密,力学性能良好,化学稳定性优良。本文研究结果可为NZP陶瓷材料固化多元放射性核素提供一定的理论指导和技术支撑,促进高放废物的陶瓷固化技术发展。

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