分别以Y(NO3)3·6H2O、CaCO3为钇源和钙源, 以CO(NH2)2为燃料, 采用低温自蔓延燃烧合成(LCS)法制备复合Y2O3包覆CaO粉体, 合成粉体经煅烧、压制、干燥、烧结后制备出复合CaO-Y2O3材料, 考察了钙钇摩尔比对复合材料结构及性能的影响。结果表明: 所制备的复合粉体具有良好的包覆性。钙钇摩尔比为2∶1时材料物理性能最佳, 其相对密度达到96.56%, 显气孔率为1.32%, 常温耐压强度为270.0 MPa, 热震循环5次后试样残余强度保持率为88.39%, 大气环境下21 d后的水化增重率为0.75%。

采用静态坩埚法将AOD炉渣线区镁钙砖在1 700 ℃空气气氛下高温热处理3 h后进行抗渣试验。结合XRD、SEM、EDS等测试手段, 分析了AOD炉两个阶段炉渣对渣线区镁钙砖的侵蚀机理。结果表明: 低碱度的氧化期炉渣对镁钙砖侵蚀明显, 炉渣在表面张力和毛细管力作用下, 进入镁钙砖内部与CaO反应生成低熔点的铁酸二钙2CaO·Fe2O3(C2F), 促进砖中CaO溶解, 破坏了原有的致密结构, 使反应层结构变得疏松、易剥落; 镁钙砖中方镁石晶簇吸收液态渣中的铁、铬、锰氧化物, 并在其晶内和晶间形成复合尖晶石结构, 从而提高镁钙砖表面渣的黏度, 减缓渣的侵蚀; 还原期炉渣碱度较高, 对镁钙砖的侵蚀作用较弱, 主要表现为SiO2向砖内侵蚀渗透, 以及体积效应和温度梯度导致镁钙砖表面小尺寸方镁石晶簇向渣中剥落。

耐火材料的轻量化是高温工业节能的重要方向。以三级生矾土和粉煤灰为主要原料, 采用原位分解法制备轻量M60莫来石材料, 研究在不同烧成温度下粉煤灰对轻量M60莫来石材料结构与性能的影响。结果表明: 在1 400、1 500 ℃烧成温度下, 粉煤灰的引入使材料的体积密度降低, 总气孔率增加, 耐压强度大幅提升; 引入粉煤灰的试样1 500 ℃烧成后导热系数有明显下降。当烧成温度达到1 600 ℃时, 粉煤灰的引入使材料的总气孔率减小, 体积密度略有增加, 导热系数明显增加。此外, 粉煤灰的引入会降低材料的荷重软化温度。引入34.0%(质量分数)粉煤灰后, 所制备莫来石材料的体积密度降低了8%~13%, 总气孔率增加了23%~37%; 经1 500 ℃烧成后, 材料耐压强度达到(122.6±2.2) MPa, 1 000 ℃测试时的导热系数仅为0.616 W/(m·K)。

本文以铜浆料用ZnO-B2O3-SiO2-BaO玻璃为对象, 通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、核磁共振铝谱(27Al NMR)、差示扫描量热(DSC)和扫描电子显微镜(SEM)等表征方法, 研究了ZnO含量对其结构和性能的影响。结果表明,随着ZnO含量的增加, 玻璃试样中BO/NBO(摩尔比)、玻璃试样的平均桥氧数和［ZnO4］/［ZnO6］摩尔比均先增大后减小, ［BO4］/［BO3］摩尔比增大, ［AlO6］和［AlO5］摩尔占比增大, ［AlO4］摩尔占比降低。玻璃试样网络结构连接度整体先致密后疏松, 且当ZnO的质量分数为36%时玻璃试样网络结构最为致密。当ZnO质量分数从32%增加到42% 时, 玻璃试样的DSC曲线中玻璃化转变温度Tg、起始烧结温度TS1和热膨胀系数(CTE)均先降低后升高, CTE数值范围为6.0×10-6~6.3×10-6 K-1, 符合铜浆料与Ca1-xSrxZrO3陶瓷基板封接时的热膨胀与烧结温度等要求。

采用熔融法制备了含有不同晶核剂的非化学计量比堇青石微晶玻璃, 通过DSC、XRD、FE-SEM、UV-VIS-NIR等测试方法研究了不同晶核剂对微晶玻璃析晶与性能的影响, 并用经典动力学方程(Johnson-Mehl-Avrami)分析了微晶玻璃的析晶动力学。结果表明,以P2O5和P2O5+ZrO2为晶核剂的微晶玻璃晶化机制均为表面晶化, 而以P2O5+ZrO2+TiO2为晶核剂的微晶玻璃则倾向于整体析晶。三组微晶玻璃在950 ℃晶化时主晶相为μ-cordierite, 当温度升高到980 ℃时开始转变为α-cordierite, 引入TiO2使α-cordierite的含量增加, 析出的晶体更加复杂致密。随着晶化时间延长, 与其他晶核剂相比, P2O5+ZrO2+TiO2组合晶核剂微晶玻璃在相同晶化时间内结晶度更高, α-cordierite含量的增加显著提升了微晶玻璃的力学性能, 但降低了透过率。在800 ℃/10 h+980 ℃/3 h热处理制度下, 以P2O5+ZrO2+TiO2为晶核剂的微晶玻璃弹性模量可达103 GPa, 断裂韧性为1.27 MPa·m1/2, 透过率为82.3%, 可满足用作移动终端领域的性能要求。

本文以SiO2、Al2O3、ZnO、CaO、MgO为主要原料制备锌尖晶石-透辉石体系微晶玻璃, 利用自增韧技术提高了该体系微晶玻璃的力学性能。采用正交试验研究各热处理工艺参数对该体系微晶玻璃力学性能的影响, 探究了微晶玻璃的晶相比例、微观形貌与其力学性能之间的关系。结果表明, 提高透辉石相比例可显著提高微晶玻璃断裂韧性, 但比例过高则会降低微晶玻璃抗弯强度, 因此制备高韧性、高抗弯强度的微晶玻璃时需要柱状晶体交错和粒状晶体填充其间隙, 起到协同强化的作用。基础玻璃经750 ℃保温2 h+810 ℃保温2 h+880 ℃保温2 h+950 ℃保温2 h后, 微晶玻璃断裂韧性达5.1 MPa·m1/2, 抗弯强度达255 MPa, 维氏硬度为8.3 GPa。

我国现存高放泥浆主要成分为磷钼杂多酸盐(PM), 磷和钼在硼硅酸盐玻璃中溶解度较低, 超过一定溶解度后会在玻璃表面产生分相从而影响玻璃化的效率和安全。本文主要研究了PM含量对硼硅酸盐玻璃固化体物相组成、微观结构和抗浸出性能的影响。结果表明, 当PM掺量为0%~4%(质量分数, 下同)时, 样品为透明玻璃, 而PM掺量高于5%时, 样品为含钼酸钙和钼酸钡晶相的玻璃陶瓷。随着PM掺量从0%增加至6%, 玻璃网络结构中的［SiO4］结构逐渐解聚, ［MoO4］2-结构逐渐增加, 且［BO4］、Q3和Q4结构单元含量逐渐降低, 玻璃网络结构的致密程度也逐渐降低。随着PM掺量增加, Si、B和Na元素28 d归一化浸出率先降低后升高, Mo元素28 d归一化浸出率先升高后降低。

高放废物中放射性核素组成复杂, 而陶瓷固化存在核素选择性强的问题。为实现同时固化裂变产物及锕系核素的目的, 基于可陶瓷化地聚合物设计原理, 将模拟高放废液与偏高岭土、矿粉、硅灰、纳米氧化锆混合后, 加入模数为1.5的钾水玻璃作为激发剂制备高放废液多相陶瓷固化基材, 该基材在常温下成型硬化后, 再以1 100 ℃高温热处理方式转化为地聚合物基多相陶瓷高放废液固化体。采用静态浸出方法研究固化体的抗浸出性能, 同时采用XRD、SEM-EDS、XPS等测试技术探究地聚合物陶瓷化机制、核素固化机理及Ce元素氧化价态。结果表明, 该固化基材在固化模拟核素时, 以化学形式与物理形式两种方式同时固化: 一是大量进入烧结形成的白榴石(立方)、氧化锆(四方)、锆英石晶格或形成陶瓷相; 二是少量被玻璃相包裹。其中Cs、Sr均匀分布, Ce、Nd在玻璃相中富集。该固化基材在同时固化不同价态与离子半径的核素时具有优异的抗浸出性能, Cs、Sr的28 d归一化元素浸出率低至10-2 g/(m2·d), Ce、Nd的28 d归一化元素浸出率低至10-4~10-5 g/(m2·d)。本文有望提供一种工艺简单, 并结合水泥、玻璃、陶瓷固化方法为一体, 可同时固化多种核素的高放废物固化体设计与制备方法, 为高放废物固化提供新思路。