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厦门稀土材料研究所在核用稀土基高熵陶瓷材料研发方面取得新突破

发布日期: 2023年05月26日 10:42 来源: 厦门稀土材料研究所


所属铁合金系别: 稀土
内容概述: 近年来,高熵陶瓷因其优异的物理化学性能而备受关注。相较传统陶瓷材料,高熵陶瓷具有热力学上的高熵效...

近年来,高熵陶瓷因其优异的物理化学性能而备受关注。相较传统陶瓷材料,高熵陶瓷具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应和性能上的“鸡尾酒”效应。如何最大限度的将这些优势应用于不同领域,突破现有材料的局限,成为高熵陶瓷材料的主要研究内容。福建省清洁核能系统燃料与材料联合创新重点实验室杨帆课题组近年来聚焦功能化稀土高熵陶瓷的设计与研发工作。在热管理高熵陶瓷,负热膨胀超材料,抗菌抗病毒高熵陶瓷,红外管理节能用高熵陶瓷以及核用高熵陶瓷等多领域内取得多项突破。

随着“碳达峰”、“碳中和”目标的提出,先进核能作为一种经济高效的清洁能源在我国能源结构中占据越来越重要的地位。核安全是国家安全的重要组成部分,是核事业发展的生命线。高容错、服役寿命长的堆用中子吸收控制材料是推动我国第三、四代先进核能跨越式发展的核安全关键材料,是先进核堆心脏的“节拍器”。传统堆用中子吸收控制材料多为含硼材、银铟镉材料以及铪系材料,面对新一代核能的新需求,作为材料设计的突破,堆用中子吸收控制新材料的设计被业界所广泛期待和瞩目。稀土元素具有优异的抗辐照性,较大中子吸收截面(Sm、Eu、Gd)且热性能稳定等优点,是研发堆用中子吸收控制材料的优选元素。

基于此,厦门稀土材料研究所杨帆课题组采用易于工业化的高温固相反应法制备了一种新型(Sm0.2Eu0.2Gd0.2Dy0.2Er0.2)2Hf2O7高熵核用陶瓷。此为高熵铪酸盐陶瓷用于核用材料领域的世界首次研究和报道。通过组元优选,材料A、B位均选用长寿命高中子吸收截面积的稀土元素和铪元素。采用400 kV离子注入机,研究了在400℃下400 keV Kr+对(Sm0.2Eu0.2Gd0.2Dy0.2Er0.2)2Hf2O7的离子辐照行为,结果表明,在辐照剂量高达120 dpa下(现有报道中最高辐照损伤剂量,从10提升到102数量级),该稀土基高熵陶瓷在抗辐照的晶格肿胀参数上可提高3倍,表现出优异的抗辐照非晶化性能,而这是核用材料能否实用化的最至关重要的评价指标。此外,1200℃下,其具有比单组分Gd2Hf2O7更缓慢的晶粒生长速率,展现出良好的堆用高温服役性能。

本研究与中国核动力设计研究院、厦门大学以及中国稀土集团开展合作,并获中核集团领创项目和青年托举人才项目的支持。

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