Ceramic composites based on zircon and zirconium dioxide

V. L. Ugolkov; N. A. Koval’chuk; A. V. Osipov; L. P. Mezentseva; A. A. Akatov

doi:10.17073/1683-4518-2023-9-28-33

Ceramic composites based on zircon and zirconium dioxide

V. L. Ugolkov, N. A. Koval’chuk, A. V. Osipov, L. P. Mezentseva, A. A. Akatov

https://doi.org/10.17073/1683-4518-2023-9-28-33

Full Text:

Abstract

Ceramic composites (1 ‒ x)ZrSiO4‒xZrO2 with low thermal conductivity were obtained by sintering nanosized powders in the range of 1000‒1300 °C in air. The fracture surface of ceramic samples after sintering at 1300 °C was investigated and their thermal behavior was studied by dilatometry. The chemical resistance of composites by leaching in distilled water was evaluated. In the future, such ceramic composites can be used as matrices for the purpose of long-term, environmentally safe storage and subsequent final isolation from the environment of individual isotopes of actinide-rare earth fraction of high-level waste (HLW).

Keywords

ceramic composites (1 ‒ x)ZrSiO₄ ‒xZrO₂ , fracture surface, dilatometry, thermal conductivity, chemical resistance,

About the Authors

V. L. Ugolkov

ФГБУН «Институт химии силикатов имени И. В. Гребенщикова РАН»
Russian Federation

N. A. Koval’chuk

ФГБУН «Институт химии силикатов имени И. В. Гребенщикова РАН»
Russian Federation

A. V. Osipov

ФГБУН «Институт химии силикатов имени И. В. Гребенщикова РАН»
Russian Federation

L. P. Mezentseva

ФГБУН «Институт химии силикатов имени И. В. Гребенщикова РАН»
Russian Federation

A. A. Akatov

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»
Russian Federation

References

1. Grechanovsky, A. E. Molecular dynamics study of self-radiation damage in mineral matrices / A. E. Grechanovsky, V. S. Urusov, N. N. Eremin // J. Struct. Chem. ― 2016. ― Vol. 57, № 6. ― P. 1243‒1262.

2. Ferriss, E. D. A. Simulation of thermodynamic mixing properties of actinide-containing zircon solid solutions / E. D. A. Ferriss, R. C. Ewing, U. Becker // Am. Mineralog. ― 2010. ― Vol. 95. ― P. 229‒241.

3. Burakov, B. E. Synthesis of zircon for immobilization of actinides / B. E. Burakov, E. B. Anderson, V. S. Rovsha [et al.] // Mrs. Proc. ― 2011. ― Vol. 412. ― P. 33‒39.

4. Williford, R. E. Computer simulation of Pu3+ and Pu4+ substitutions in zircon / R. E. Williford, B. D. Begg, W. J. Weber, N. J. Hess // J. Nucl. Mater. ― 2000. ― Vol. 278, № 2/3. ― P. 207‒211.

5. Wang, L. Ceramics for high level radioactive waste solidification / L. Wang, T. Liang // J. Adv. Ceram. ― 2012. ― Vol. 1, № 3. ― P. 194‒203.

6. Rosado, E. Consolidation of complex-shape zircon compacts through agar gelation / E. Rosado, C. Alcázar, P. Recio, R. Moreno // Eur. J. Mater. ― 2022. ― Vol. 2, № 1. ― P. 407‒421.

7. Orlova, A. I. Ceramic mineral waste-forms for nuclear waste immobilization / A. I. Orlova, M. I. Ojovan // Materials. ― 2019. ― Vol. 12, № 16. ― Article № 2638 (45 p.)

8. Antsiferov, V. N. Effect of nanodispersed zirconium dioxide on the consolidation and properties of a zircon-based ceramic / V. N. Antsiferov, V. B. Kul’met’eva, S. E. Porozova, E. G. Krokhaleva // Refract. Ind. Ceram. ― 2011. ― Vol. 52, № 2. ― P. 151‒154. doi: 10.1007/s11148-011-9385-y. – Анциферов, В. Н. Влияние нанодисперсного диоксида циркония на процессы консолидации и свойства цирконовой керамики / В. Н. Анциферов, В. Б. Кульметьева, С. Е. Порозова, Е. Г. Крохалева // Новые огнеупоры. ― 2011. ― № 4. ― С. 35‒38.

9. Kul’met’eva, V. B. Producing a composite material based on zircon concentrate and nanocrystalline zirconium dioxide / V. B. Kul’met’eva, S. E. Porozova, E. S. Gnedina [et al.] // Refract. Ind. Ceram. ― 2009. ― Vol. 50, № 5. ― P. 372‒375. doi: 10.1007/s11148-010-9217-5. – Кульметьева, В. Б. Получение композиционного материала на основе цирконового концентрата и нанокристаллического диоксида циркония / В. Б. Кульметьева, С. Е. Порозова, Е. С. Гнедина [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2009. ― № 10. ― С. 33‒37.

10. Ding, Y. Low temperature and rapid preparation of zirconia/zircon (ZrO2 /ZrSiO4 ) composite ceramics by a hydrothermal-assisted sol-gel process / Y. Ding, Z. Jiang, Y. Li [et al.] // J. Alloys Compd. ― 2018. ― Vol. 735. ― P. 2190‒2196.

11. Rendtorff, N. M. Zircon-zirconia (ZrSiO4 ‒ZrO2 ) dense ceramic composites by spark plasma sintering / N. M. Rendtorff, S. Grasso, C. Hu [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2012. ― Vol. 32, № 4. ― P. 787‒793.

12. Huang, S. Effect of sintering aids on the microstructure and oxidation behavior of hot-pressed zirconium silicate ceramic / S. Huang, Q. Li, Z. Wang [et al.] // Ceram. Int. ― 2017. ― Vol. 43, № 1, Pt. A. ― P. 875‒879.

13. Кульметьева, В. Б. Цирконовая керамика с пониженной теплопроводностью / В. Б. Кульметьева, Б. Л. Красный, В. П. Тарасовский, А. Б. Красный // Конструкции из композиционных материалов. ― 2009. ― № 3. ― С. 48‒54.

14. Thandalam, S. K. Synthesis, microstructural and mechanical properties of ex situ zircon particles (ZrSiO4 ) reinforced Metal Matrix Composites (MMCs): а review / S. K. Thandalam, S. Ramanathan, S. Sundarrajan // J. Mater. Res. Tech. ― 2015. ― Vol. 4, № 3. ― P. 333‒347.

15. Уголков, В. Л. Золь-гель синтез наноразмерных порошков и получение керамических композитов на основе циркона и оксида циркония / В. Л. Уголков, Н. А. Ковальчук, А. В. Осипов, Л. П. Мезенцева // Физ. хим. стекла. ― 2023. ― Т. 49, № 5. ― С. 307‒324. URL: https://journals.rcsi.science/0132-6651/article/view/139339?ysclid=lpl3qkswrm728008006.

16. Kwon, S. Y. Critical evaluation and thermodynamic optimization of the CaO‒ZrO2 and SiO2 ‒ZrO2 systems / S. Y. Kwon, I.-H. Jung // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2017. ― Vol. 37, № 3. ― P. 1105‒1116.

17. Suarez, G. Colloidal processing, sintering and mechanical properties of zircon (ZrSiO4 ) / G. Suarez, S. Acevedo, N. M. Rendtorff [et al.] // Ceram. Int. ― 2015. ― Vol. 41, № 1, Pt. B. ― P. 1015‒1021.

18. Elsandika, G. Synthesis of ZrSiO4 powders by a solgel method with varied calcination temperatures / G. Elsandika, A. D. C. Putri, M. Musyarofah, S. Pratapa // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. ― 2019. ― Vol. 496. ― Article № 012047.

19. Heindl, R. A. Thermal expansion of refractories to 1800 °C / R. A. Heindl // Bur. Stand. J. Res. ― 1933. ― Vol. 10, № 562. ― P. 715‒735.

20. Abajo, C. New processing route for ZrSiO4 by powder injection moulding using an eco-friendly binder system / C. Abajo, A. Jimenez-Morales, J. M. Torralba // Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. ― 2015. ― Vol. 54, № 3. ― P. 93‒100.

21. Musyarofah. Phase study of SiO2 ‒ZrO2 composites prepared from polymorphic combination of starting powders via a ball-milling followed by calcination / Musyarofah, R. Nurlaila, N. F. Muwwaqor [et al.] // J. Physics : Conf. Series. ― 2017. ― Vol. 817, № 1. ― Article № 012033.

22. Nakamori, F. Mechanical and thermal properties of ZrSiO4 / F. Nakamori, Y. Ohishi, H. Muta [et al.] // J. Nucl. Sci. Technol. ― 2017. ― Vol. 54, № 11. ― P. 1267‒1273.

Supplementary files

For citation: Ugolkov V.L., Koval’chuk N.A., Osipov A.V., Mezentseva L.P., Akatov A.A. Ceramic composites based on zircon and zirconium dioxide. NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES). 2023;(9):28-33. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2023-9-28-33

Refbacks

There are currently no refbacks.

ISSN 1683-4518 (Print)

Username
Password