SiC-SZA复相陶瓷固化模拟高放石墨及其化学稳定性

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针对高放石墨的安全处理,本实验以硅粉(Si)、石墨粉(C)、SiO2、ZnO、Al2O3等为原料,用12C模拟高放石墨14C,通过高温熔制工艺制备化学稳定性优异、熔制温度较低的SiO2-ZnO-Al2O3(SZA)玻璃烧结助剂,真空煅烧制备SiC-SZA复相粉体,采用热压、液相烧结技术制备了SiC-SZA复相陶瓷固化体。
  借助高温显微镜(HTM)、X射线衍射分析(XRD)、电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)等分析测试手段,研究了SZA玻璃组成、结构与熔融特性、化学稳定性等性能之间的关系。结果表明,G5(摩尔配比为5.1SiO2-3.9ZnO-1Al2O3)为较佳配方,其熔制温度较低(流动温度为1378℃),化学稳定性较优,在pH值为5~9的水溶液中浸泡28天时,Si、Zn、Al的归一化浸出率分别在10-3 g/m-2/d-1、10-5 g/m-2/d-1、10-6 g/m-2/d-1数量级。
  利用XRD、扫描电子显微镜(SEM)分析,研究了原料硅碳比、煅烧制度、SZA玻璃掺量对合成SiC-SZA复相粉体的影响。结果表明,原料硅碳比、合成温度、保温时间对SiC-SZA复相粉体合成影响大,SZA玻璃相不与Si、C反应,不影响SiC合成;SiC-SZA复相粉体的较佳的合成工艺为1350℃真空煅烧3小时,较佳配方为硅碳比1.075∶1,(1-x)(Si+C)+ x SZA,x=0~0.4。
  利用XRD、SEM、体积密度测试仪、维氏硬度计等分析手段,研究玻璃掺量、烧结制度对SiC-SZA复相陶瓷固化体结构及性能的影响。结果表明,真空热压烧结SiC-SZA复相陶瓷固化体的较佳烧结条件为40MPa、1650℃热压烧结1小时;SZA玻璃粉是SiC基复相陶瓷固化体低温烧结较理想的烧结助剂,较佳配方为65wt.%SiC+35wt.%SZA,其固化体的相对密度达到94.62%,硬度为2040.5HV20;SZA玻璃掺量显著影响SiC-SZA复相陶瓷固化体的烧结,SZA玻璃掺量越高,固化体的致密性及硬度越好,但掺量过多,玻璃相会导致固化体的韧性(抗冲击性能)较差。
  利用SEM、ICP-MS等测试方法,采用MCC-1静态浸出试验法,探索SiC-SZA复相陶瓷固化体在THMC(T=90℃,pH=5、7、9,压强0.101MPa;T=120℃、pH=7,压强0.198MPa;T=150℃、pH=7,压强0.476MPa)耦合作用下的抗浸出性能。结果表明,在THMC耦合作用下,固化体具有优异的化学稳定性,42天时,Al、Si、Zn的归一化浸出率分别达到10-2g/m-2/d-1、10-2~10-3 g/m-2/d-1、10-4~10-5 g/m-2/d-1数量级,pH值对SiC-SZA复相陶瓷固化体抗浸出性能影响较小,温度对其抗浸出性能有一定影响,但各元素的归一化浸出率整体较低。
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