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【6h】

锆酸钆基模拟锕系核素固化体的闪烧制备研究

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第1 章 绪 论

1.1 引言

1.2.1 钆锆烧绿石的晶体结构

1.2.2 钆锆烧绿石的性质

1.3 钆锆烧绿石的研究现状

1.3.1 高温固相法

1.3.2 热压烧结法

1.3.3 放电等离子烧结法

1.3.4 微波烧结法

1.3.5 自蔓延高温合成法

1.3.6 溶胶凝胶法

1.3.7 机械化学法

1.3.8 高温高压合成法

1.3.9 水热合成法

1.3.10化学共沉淀法

1.4 研究内容和意义

第2 章 锕系模拟核素固化体的制备及研究方法

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验设备及仪器

2.1.3 实验方案及工艺

2.2.1 X 射线衍射分析

2.2.2 扫描电镜SEM 和EDS分析

2.3.1 密度、体积密度和相对致密度测试

2.3.2 固化体的维氏硬度

2.3.3 抗浸出性能测试

2.4 本章小结

第3 章 Gd2-xNdxZr2O7固化体的闪烧烧结和性能研究

3.1.1 固化体的配方设计

3.1.2 固化体的闪烧制备工艺

3.2 黑体辐射模型估算试样温度

3.3.1 固化体的物相分析

3.3.2 固化体的微观结构

3.3.3 固化体的微观形貌

3.3.4 固化体的表面元素分布

3.4 Gd2-xNdxZr2O7的性能

3.4.1 固化体的密度与致密度

3.4.2 固化体的维氏硬度

3.4.3 固化体的抗浸出性能

3.5 本章小结

第4 章 Gd2Zr2-xCexO7固化体的闪烧烧结和性能研究

4.1.1 固化体的配方设计

4.1.2 固化体的闪烧制备工艺

4.2 黑体辐射模型估算试样温度

4.3.1 固化体的物相分析

4.3.1 固化体的微观结构

4.3.2 固化体的微观形貌

4.3.3 固化体的表面元素分布

4.4.1 固化体的密度与致密度

4.4.2 固化体的维氏硬度

4.4.3 固化体的抗浸出性能

4.5 本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

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摘要

钆锆烧绿石由于其良好的性能,被广泛作为高放废物放射性核素的固化基材。当前有很多方法用于制备高放废物固化体,比如高温固相法、放电等离子烧结法等。闪烧技术作为近年来兴起的新兴烧结方法,是通过施加电场从而实现陶瓷粉体的快速烧结,具有烧结时间短和快速致密化等优点。本论文是首次采用闪烧技术合成锆酸钆基模拟锕系核素固化体,选取Nd和Ce作为锕系模拟核素替代物分别替代Gd2Zr2O7矿物固化体中的Gd位和Zr位,以Gd2O3、Nd2O3、ZrO2和CeO2为原料,制备Gd2-xNdxZr2O7(0.0≤x≤2.0)和Gd2Zr2-xCexO7(0.0≤x≤2.0)系列固化体陶瓷。利用黑体辐射模型计算公式估算样品发生闪烧时的实际温度,分析样品温度、炉温与模拟核素掺杂量之间的关系。借助XRD、SEM和ICP-MS等测试手段,对物相组织、晶胞参数、微观形貌、密度、致密度、硬度和抗浸出性能进行了研究,结果如下:  以Gd2O3、Nd2O3和ZrO2为原料,在加载电压300V、限制电流0.4A的电场条件下闪烧1min时,可成功制备出Gd2-xNdxZr2O7(0.0≤x≤2.0)系列固化体陶瓷。在所制备的系列固化体中,随着Nd元素掺杂量的增加,样品实际温度和功率逐渐增加,而炉温逐渐降低,样品温度大于炉温500~800℃。当0.0≤x≤04时,固化体为单一的萤石型结构,样品形貌呈板块状,且具有一定量的气孔;当0.8≤x≤2.0时,固化体为单一的烧绿石型结构,样品形貌以粒状为主,且内部几乎没有气孔,致密度较高。系列固化体的晶胞参数和晶胞体积均与Nd的掺杂量成正相关。  Gd2-xNdxZr2O7(0.0≤x≤2.0)系列固化体陶瓷的密度随Nd元素掺杂量的增加而减少,致密度和硬度随着掺杂量和闪烧时间的增加而增加。当闪烧时间为3min时,Nd2Zr2O7固化体的致密度达到最大值99.03%,维氏硬度为12.96GPa,Nd3+和Zr4+的归一化浸出率均在第1天时的浸出率最高,且浸出率与浸泡时间成反比,并分别在7d和14d后,浸出率受浸出时间影响较小,Nd3+的浸出率高于Zr4+。  以Gd2O3、ZrO2和CeO2为原料,在加载电压300V、限制电流0.4A的电场条件下闪烧1min时,可成功制备出Gd2Zr2-xCexO7(0.0≤x≤2.0)系列固化体。在所制备的系列固化体中,随着Ce掺杂量的增加,样品发生闪烧时的样品实际温度、炉温和功率逐渐降低,样品实际温度比炉温高约500℃。在所有掺杂量范围内,陶瓷样品均为单一的萤石型结构,系列固化体的添加量对样品形貌几乎没有影响,整体微观形貌均匀,存在一定量的气孔,且表面的元素分布相对比较均匀。系列固化体的晶胞参数和晶胞体积与Ce的掺杂量成正相关。  Gd2Zr2-xCexO7(0.0≤x≤2.0)系列固化体的密度与致密度随Ce元素掺杂量的增加而增加。当闪烧时间为3min时,Gd2Ce2O7陶瓷的致密度达到最大值97.68%,相对应的维氏硬度为10.92GPa,Gd3+和Ce4+的归一化浸出率均在第1天时的浸出率最高,且浸出率与浸泡时间成反比,并分别在21d和7d后,浸出率受浸出时间影响较小,Gd3+的浸出率高于Ce4+。

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