烧绿石相硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体的工艺研究
发布时间：2020-12-26 14:38
玻璃陶瓷固化是潜在的可以产业化的、较理想的固化处理技术,被称为第三代高放核废料固化处理技术,是高放核废料的处理与处置的发展方向。本文采用简单易行的高温熔融-热处理工艺制备了结构稳定和性能良好的烧绿石相硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体,通过DSC、XRD、SEM、SEM-EDXS和密度测试等分析测试技术对样品进行分析,通过PCT浸出实验来研究固化体样品的浸出行为,得到如下主要结论:（1）配方对固化体的影响研究表明:高温熔融-随炉冷却的工艺条件下,锆酸盐或钛酸盐烧绿石玻璃陶瓷固化体需要在较高的温度下才能熔融,而铌酸盐的玻璃陶瓷固化体能在较低温度下熔融并形成烧绿石晶相,当配方的化学组分质量百分比为:22.74%的SiO2、18.38%的Na2O、6.63%的B2O3、8.16%的CaF2、21.75%的Nb2O5、4.72%的TiO2、13.77%的Nd2O3及3.86%的Al
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究采用的实验方案
3随炉冷却工艺下玻璃陶瓷固化体的配方研究173随炉冷却工艺下玻璃陶瓷固化体的配方研究利用一步法合成烧绿石相玻璃陶瓷的工艺技术要求极高，主要包括原料的纯度、均匀性，熔融或者烧结的高温、高压、长保温时间等条件，特殊的惰性气体保护或还原性气氛[26-28]。还原性气氛在一步法合成烧绿石硼硅酸盐玻璃陶瓷中影响巨大，对选择合适的还原性气氛或物料进行了调查评估，氢气作为常用的还原性气体，被用于生产和实验的各个方面，但考虑到氢气作还原气体的成本高和危险性大，所以氢气不适合作实验的还原性气体。硼氢化物也常用作还原剂，但硼氢化物除了存在与氢气作还原气时类似的问题，而且这类化合物低温容易分解，不利于参与到较高的温度条件下晶体的成核和生长。为获得综合性能优异的烧绿石相硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体配方，研究选用Si、Na、B、Ca、Nb和Ln（Ln=Nd，Gd）等元素的盐或氧（氟）化物和模拟核素的盐或氧化物为原料，按一定的配料比将混合均匀的原料放入氧化铝坩埚中，以一定的升温速率升温到熔融温度后保温一定的时间，随后随炉自然冷却获得玻璃陶瓷固化体，此工艺方法简单易行，对设备条件要求较低，且能获得形貌良好的玻璃陶瓷，但降温速率受设备的工况影响较大，其降温速率曲线如图3-1。图3-1样品的随炉自然降温速率曲线Fig.3-1coolingratecurveofsamplescooledinfurnacenaturally因此，本章主要研究随炉冷却工艺下不同原料配方对烧绿石相硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体结构和性能的影响。为了找到简单且适应高放核废物成分的固化体配方，研究中有针对性的采用了不同成分及比例的原料进行了实验，并对样品的结构和形貌进行了测试和分析。
3随炉冷却工艺下玻璃陶瓷固化体的配方研究20相而没有形成晶相[46，47]。从7组样品的随炉冷却样品图可以看出即使熔融温度相同，不同的固化体配方对获得的样品的晶相种类、组成以及含量都有巨大的影响。进一步的研究对7组样品进行了XRD测试和分析，所有样品的XRD图谱如图3-3和3-4。通过XRD图谱的分析并结合标准PDF卡片，可知P1样品中的晶相为Nd0.2Zr0.8O1.9（JCPDS-PDFNo.28-0678），P2样品中的晶相为Y2Ti2O7（JCPDS-PDFNo.42-0413），P3样品中的主要晶相为Ca2Nb2O7（JCPDS-PDFNo.23-0122）和Ca0.15Zr0.85O1.85（JCPDS-PDFNo.26-0341），存在少量的CaAl2O4（JCPDS-PDFNo.53-0191），P4和P5样品中的主要晶相为NaNbO3（JCPDS-PDFNo.33-1270），存在少量的Ca2.2Nd7.8(SiO4)6O1.9（JCPDS-PDFNo.28-0228），P6样品中不存在晶相，这也进一步证明了P6样品图的分析假设。前面6组样品均未获得烧绿石相的玻璃陶瓷，也说明在随炉冷却的工艺条件下想要获得烧绿石晶相对固化体的配方有着极高的要求。图3-27组样品的随炉冷却样品图Fig.3-2sampleimagesofsevensamplecooledinfurnacenaturallyP7样品中存在的晶相为(Ca,Na)2(Nb,Ti)2O6F（JCPDS-PDFNo.17-077）和CaNdNb2O7（JCPDS-PDFNo.44-037），分析发现晶相(Ca,Na)2(Nb,Ti)2O6F的峰强与CaNdNb2O7几乎相同，同时两者衍射峰出现的位置几乎相同。另外在2θ=37.71°和45.33°处出现了有序烧绿石的衍射峰，对应的晶面指数分别为（331）和（511），上述分析说明P7样品中存在烧绿石(Ca,Na)2(Nb,Ti)2O6F和CaNdNb2O7[34，41]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]核废料玻璃固化国际研究进展[J]. 徐凯. 中国材料进展. 2016(07)
[2]锕系核素烧绿石模拟固化体化学稳定性研究[J]. 王烈林,谢华,文清云,邓超,张可心. 西南科技大学学报. 2015(03)
[3]2014年全球核电装机容量小幅上升[J]. 伍浩松,张焰. 国外核新闻. 2015(01)
[4]模拟锕系高放废液铁磷酸盐玻璃陶瓷固化[J]. 潘社奇,苏伟,赵玉杰,陈晓谋,王东文. 环境科学与技术. 2014(06)
[5]放射性废物处置——核能可持续发展的关键[J]. 吴浩,徐春艳,刘新华,魏方欣. 核安全. 2013(S1)
[6]冷坩埚玻璃固化技术及应用[J]. 杨丽莉,李晓海,徐卫. 辐射防护通讯. 2013(03)
[7]硼硅酸盐玻璃固化体结构及化学稳定性研究[J]. 丁新更,李平广,杨辉,苏伟,窦天军. 稀有金属材料与工程. 2013(S1)
[8]Gd2Zr2-xCexO7（0.0≤x≤2.0）的制备与表征[J]. 宁明杰,董发勤,张宝述,卢喜瑞,唐敬友. 原子能科学技术. 2013(02)
[9]核废物处理途径的探讨[J]. 李虎. 黑龙江科技信息. 2012(17)
[10]玻璃冷却速率对锂铝硅微晶玻璃晶化行为和结构的影响[J]. 董伟,卢金山,冯志军,李要辉. 无机材料学报. 2012(04)
博士论文
[1]乏燃料后处理中放射性核素的陶瓷固化体的结构与化学稳定性研究[D]. 孟成.浙江大学 2016
硕士论文
[1]掺镨铈独居石陶瓷固化体的制备及化学稳定性[D]. 曾攀.西南科技大学 2015
本文编号：2939892
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究采用的实验方案
3随炉冷却工艺下玻璃陶瓷固化体的配方研究173随炉冷却工艺下玻璃陶瓷固化体的配方研究利用一步法合成烧绿石相玻璃陶瓷的工艺技术要求极高，主要包括原料的纯度、均匀性，熔融或者烧结的高温、高压、长保温时间等条件，特殊的惰性气体保护或还原性气氛[26-28]。还原性气氛在一步法合成烧绿石硼硅酸盐玻璃陶瓷中影响巨大，对选择合适的还原性气氛或物料进行了调查评估，氢气作为常用的还原性气体，被用于生产和实验的各个方面，但考虑到氢气作还原气体的成本高和危险性大，所以氢气不适合作实验的还原性气体。硼氢化物也常用作还原剂，但硼氢化物除了存在与氢气作还原气时类似的问题，而且这类化合物低温容易分解，不利于参与到较高的温度条件下晶体的成核和生长。为获得综合性能优异的烧绿石相硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体配方，研究选用Si、Na、B、Ca、Nb和Ln（Ln=Nd，Gd）等元素的盐或氧（氟）化物和模拟核素的盐或氧化物为原料，按一定的配料比将混合均匀的原料放入氧化铝坩埚中，以一定的升温速率升温到熔融温度后保温一定的时间，随后随炉自然冷却获得玻璃陶瓷固化体，此工艺方法简单易行，对设备条件要求较低，且能获得形貌良好的玻璃陶瓷，但降温速率受设备的工况影响较大，其降温速率曲线如图3-1。图3-1样品的随炉自然降温速率曲线Fig.3-1coolingratecurveofsamplescooledinfurnacenaturally因此，本章主要研究随炉冷却工艺下不同原料配方对烧绿石相硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体结构和性能的影响。为了找到简单且适应高放核废物成分的固化体配方，研究中有针对性的采用了不同成分及比例的原料进行了实验，并对样品的结构和形貌进行了测试和分析。
3随炉冷却工艺下玻璃陶瓷固化体的配方研究20相而没有形成晶相[46，47]。从7组样品的随炉冷却样品图可以看出即使熔融温度相同，不同的固化体配方对获得的样品的晶相种类、组成以及含量都有巨大的影响。进一步的研究对7组样品进行了XRD测试和分析，所有样品的XRD图谱如图3-3和3-4。通过XRD图谱的分析并结合标准PDF卡片，可知P1样品中的晶相为Nd0.2Zr0.8O1.9（JCPDS-PDFNo.28-0678），P2样品中的晶相为Y2Ti2O7（JCPDS-PDFNo.42-0413），P3样品中的主要晶相为Ca2Nb2O7（JCPDS-PDFNo.23-0122）和Ca0.15Zr0.85O1.85（JCPDS-PDFNo.26-0341），存在少量的CaAl2O4（JCPDS-PDFNo.53-0191），P4和P5样品中的主要晶相为NaNbO3（JCPDS-PDFNo.33-1270），存在少量的Ca2.2Nd7.8(SiO4)6O1.9（JCPDS-PDFNo.28-0228），P6样品中不存在晶相，这也进一步证明了P6样品图的分析假设。前面6组样品均未获得烧绿石相的玻璃陶瓷，也说明在随炉冷却的工艺条件下想要获得烧绿石晶相对固化体的配方有着极高的要求。图3-27组样品的随炉冷却样品图Fig.3-2sampleimagesofsevensamplecooledinfurnacenaturallyP7样品中存在的晶相为(Ca,Na)2(Nb,Ti)2O6F（JCPDS-PDFNo.17-077）和CaNdNb2O7（JCPDS-PDFNo.44-037），分析发现晶相(Ca,Na)2(Nb,Ti)2O6F的峰强与CaNdNb2O7几乎相同，同时两者衍射峰出现的位置几乎相同。另外在2θ=37.71°和45.33°处出现了有序烧绿石的衍射峰，对应的晶面指数分别为（331）和（511），上述分析说明P7样品中存在烧绿石(Ca,Na)2(Nb,Ti)2O6F和CaNdNb2O7[34，41]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]核废料玻璃固化国际研究进展[J]. 徐凯. 中国材料进展. 2016(07)
[2]锕系核素烧绿石模拟固化体化学稳定性研究[J]. 王烈林,谢华,文清云,邓超,张可心. 西南科技大学学报. 2015(03)
[3]2014年全球核电装机容量小幅上升[J]. 伍浩松,张焰. 国外核新闻. 2015(01)
[4]模拟锕系高放废液铁磷酸盐玻璃陶瓷固化[J]. 潘社奇,苏伟,赵玉杰,陈晓谋,王东文. 环境科学与技术. 2014(06)
[5]放射性废物处置——核能可持续发展的关键[J]. 吴浩,徐春艳,刘新华,魏方欣. 核安全. 2013(S1)
[6]冷坩埚玻璃固化技术及应用[J]. 杨丽莉,李晓海,徐卫. 辐射防护通讯. 2013(03)
[7]硼硅酸盐玻璃固化体结构及化学稳定性研究[J]. 丁新更,李平广,杨辉,苏伟,窦天军. 稀有金属材料与工程. 2013(S1)
[8]Gd2Zr2-xCexO7（0.0≤x≤2.0）的制备与表征[J]. 宁明杰,董发勤,张宝述,卢喜瑞,唐敬友. 原子能科学技术. 2013(02)
[9]核废物处理途径的探讨[J]. 李虎. 黑龙江科技信息. 2012(17)
[10]玻璃冷却速率对锂铝硅微晶玻璃晶化行为和结构的影响[J]. 董伟,卢金山,冯志军,李要辉. 无机材料学报. 2012(04)
博士论文
[1]乏燃料后处理中放射性核素的陶瓷固化体的结构与化学稳定性研究[D]. 孟成.浙江大学 2016
硕士论文
[1]掺镨铈独居石陶瓷固化体的制备及化学稳定性[D]. 曾攀.西南科技大学 2015
本文编号：2939892
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