|
|
Design of nuclear ceramic materials with enhanced thermal conductivity
Roleček, Jakub ; Katovský, Karel (oponent) ; Salamon, David (vedoucí práce)
Uranium dioxide (UO2) is the most common fuel material used in commercial nuclear reactors. The main disadvantage of UO2 is its low thermal conductivity, and large amount of heat generated during the fission in nuclear reactor creates a large temperature gradient in the UO2 fuel pellet. This temperature gradient induces large thermal stress, which leads to fuel pellet cracking. These cracks help to the release of fission product gases after high burnup. The formation of cracks and increase fission gas generation leads to a considerable reduction of fuel pellet durability. This thesis deals with the issue of increasing the thermal conductivity of the UO2 nuclear fuel on model material (CeO2). In this work are studied similarities of the CeO2 and UO2 behavior during conventional sintering and spark plasma sintering. The concept of thermal conductivity enhancement deal with incorporation of high thermal conductivity material – silicon carbide (SiC) into the CeO2 pellets. Silicon carbide is expected to increase the heat flow out of the fuel pellet, and thus increasing the CeO2 thermal conductivity. Similarities of SiC behavior in the CeO2 matrix and SiC behavior in the UO2 matrix reported in literature are also discussed in this work.
|
|
|
Extremely fast sintering of advanced ceramic materials
Tan, Hua ; Chlup,, Zdeněk (oponent) ; Sedláček,, Jaroslav (oponent) ; Salamon, David (vedoucí práce)
Rapid sintering techniques, such as Spark Plasma Sintering (SPS), Flash Sintering (FS), Selective Laser Sintering (SLS), Induction Sintering (IS), and Microwave Sintering (MS), are designed to effectively and predictably control ceramic microstructure during the sintering process. Spark Plasma Sintering as one of the most novel rapid sintering technique has been studied for decades. There are three main features in SPS: direct Joule heating, pulsed direct current, and mechanical pressure. However, the mechanisms of these features are not clearly and fully addressed. This thesis was inspired by the increasing attention towards rapid sintering techniques and open scientific questions. The present study has four parts, investigation of ‘Field effect’, pulse pattern effect, pressure effect, and direct Joule heating. The results showed the negligible impact of the electromagnetic field during SPS according to the simulation as well as no ‘field effect’ was found during the experiments. While the effect of pulse pattern was significant, the TiO2 powder was sintered by pulse patterns 12:2 and 10:9 with the constant power input. Titania grain size increased one order of magnitude and 8% in density after application of the pulse pattern 10:9, while the amount of consumed energy remained constant. The variation of the effective power and contact resistance induced by the mechanical pulse are two main reasons accounting for the varying energy efficiency heating with different pulse patterns. The pressure timing effect also significantly influenced the SPS. The results showed that applying the pressure at 900 brought high density and small grain size of the sintered alumina nanopowder, leading to the best Vickers hardness. The interaction between pressure and vapor, leading to the different vapor transfer rate of the first sintering stage, was considered as a reason for the differences in microstructure (micropores, grain size, etc.). The timing of the mechanical pressure can also promote the densifying diffusion mechanisms during the second sintering stage, such as grain boundary diffusion and lattice diffusion. The direct Joule heating of the electrically conductive samples by direct electrical current passing through the sample leads to high internal and low measured temperature when sintering boron carbide (B4C) and its composites. Adding titanium alloy and silicon in B4C significantly increased the densification, which was the main reason for the change of mechanical properties. The sample doped by 1 vol. % of Ti alloy (B4C+1.0Ti) reached the hardness 3628.5 ± 452.6 HV1 (16.2% higher than pure boron carbide) with a fracture toughness 2.11 ± 0.25 MPam0.5. The sample doped by 0.5 vol. % of Si (B4C+0.5Si) achieved the hardness 3524.6 ± 207.8 HV1 (13.0% higher than pure boron carbide), the sample B4C+1.0Si achieved the highest fracture toughness 2.97 ± 0.03 MPam0.5 (15.6% higher than pure boron carbide). The grains of titanium doped composites became a bit larger and inhomogeneous compared with the pure boron carbide. In contrast, the grain size of silicon doped samples did not change compared with that of pure boron carbide. The secondary phase silicon carbide was well connected with the boron carbide matrix and showed a great strengthen effect on both the hardness and fracture toughness. This work examined various features of the SPS technique and their effect on ceramic materials, leading to a better understanding of this novel technique.
|
|
|
Příprava objemových materiálů na bázi Mg-Ti metodami práškové metalurgie
Žilinský, Martin ; Wasserbauer, Jaromír (oponent) ; Březina, Matěj (vedoucí práce)
Cílem této práce je příprava a charakterizace materiálů na bázi Mg–Ti. V teoretické části je pojednáno o vlastnostech výchozích materiálů a je zdůvodněno proč je z nich obtížné vyrobit slitinu. Dále je popsána prášková metalurgie a její aplikovatelnost systém Mg–Ti. Další část teoretické části je zaměřena na částicové kompozity. V rešerši současného výzkumu problematiky systému Mg–Ti jsou zmíněny další možné postupy přípravy tuhého roztoku těchto kovů. V experimentální části této práce byla popsána příprava objemového materiálu z výchozích práškových materiálů. Vzorky byly připraveny pomocí konvenčních metod práškové metalurgie a také pomocí metody slinování jiskrovým výbojem. Následně byly tyto materiály charakterizovány. Byla pozorována mikrostruktura. Pomocí rentgenové difrakční analýzy byl stanoven obsah fází. Pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu s využitím energiově disperzní analýzy a analýzou pomocí rentgenová fluorescence byl stanoven obsah prvků. Dále byla měřena tvrdost a provedena ohybová zkouška s následný fraktografickým vyhodnocením. Byl nalezen výrazný rozdíl mezi přípravou objemových materiálů pomocí konvenčních metod práškové metalurgie a přípravou pomocí metody slinování jiskrovým výbojem.
|
|
|
Struktura a mechanické vlastnosti materiálů na bázi hořčíku připravených metodou SPS
Pleskalová, Kateřina ; Hutařová, Simona (oponent) ; Doležal, Pavel (vedoucí práce)
Tato diplomová práce se zabývá zpracováním hořčíkových práškových materiálů s přídavkem zinku metodou slinování jiskrovým výbojem. Cílem je posouzení vlivu parametrů přípravy a obsahu zinku na strukturu materiálu a jeho mechanické vlastnosti. Teoretická část práce je rozdělena na dvě hlavní kapitoly. První kapitola popisuje materiály na bázi hořčíku a je zmíněno také jejich využití v oblasti medicíny. Druhá pak rozebírá práškovou metalurgii, konkrétně hořčíkové prášky a metodu slinování jiskrovým výbojem. V experimentální části byly vzorky slinuty při teplotách 300 °C a 400 °C a podrobeny analýze pomocí světelného a skenovacího elektronového mikroskopu, EDS analýze a měření tvrdosti, mikrotvrdosti a pevnosti v ohybu. Byl pozorován nárůst tvrdosti se zvyšujícím se obsahem zinku a se zvyšující se teplotou slinování. Pevnost v ohybu dosahovala vyšších hodnot pro materiály slinované při teplotě 400 °C.
|
|
| |
|
|
Modifikace kvazikrystalických kompaktů SPS pomocí technologie elektronového paprsku
Poczklán, Ladislav ; Lukáč,, František (oponent) ; Čížek, Jan (vedoucí práce)
Kvazikrystaly se vyznačují četnostmi rotační symetrie, které se u krystalických látek nevyskytují, v důsledku čehož mají řadu velmi zajímavých materiálových vlastností. V rešeršní části této práce proto byla kvazikrystalickým strukturám věnována zvláštní pozornost. Rešerše dále obsahuje popis technologie elektronového svazku, metody spark plasma sintering a úvod do problematiky opotřebení, Jako výchozí materiál pro experimentální část byl zvolen prášek Titanium Grade 2 a prášek Cristome A5, jenž byl z části tvořen kvazikrystalickou fází. První série vzorků byla slinuta pouze z prášku Cristome A5. Druhá série byla slinuta z práškové směsi, kterou z 80 % tvořil prášek Titanium Grade 2 a z 20 % prášek Cristome A5. Pro kompaktaci vzorků byla zvolena technologie spark plasma sintering. Vzorky byly následně systematicky modifikovány elektronovým svazkem a podrobeny testům pin on disc. Nejlepší odolnost vůči opotřebení byla pozorována u vzorků, jenž byly modifikovány při teplotě 750 °C. U vzorků modifikovaných při teplotě 1150 °C byl detekován zvýšený obsah kvazikrystalické fáze.
|
|
|
Slitiny s vysokou entropií připravené SPS kompaktací vysokoenergeticky mletých práškových prekurzorů
Gubán, Ivan ; Hadraba, Hynek (oponent) ; Čížek, Jan (vedoucí práce)
Predmetom tejto práce bola príprava vysokoentropických zmesí CoCrFeMnNiNx metódou mechanického legovania a ich následnej kompaktácie technológiou spark plasma sintering (SPS). Na základe spôsobu prípravy sú v práci rozlíšené tri série vzoriek. Vzorky mleté v argóne (slúžia ako etalón), vzorky mleté v dusíkovej atmosfére (sledovala sa schopnosť prášku absorbovať dusík z mlecej atmosféry), vzorky mikrolegované nitridmi FeN, CrN (skúmal sa ich potenciál disociácie a následnej difúzie do tuhého roztoku). Prášky aj hotové kompakty boli pozorované elektrónovým mikroskopom a analyzované rentgenovou difrakciou (XRD) a energiovo disperznou spektroskopiou (EDS). Na presné stanovenie obsahu dusíka bola na práškoch vykonaná analýza metódou redukčného tavenia v inertnom plyne, ich rozmerová distribúcia bola stanovená laserovou difrakčnou metódou. Na kompaktoch sa zisťovala mikrotvrdosť, za účelom stanovenia vplyvu prítomnosti dusíka na tvrdosť jednotlivých materiálov. Po procese mechanického legovania v dusíkovej atmosfére bola maximálna koncentrácia dusíka v štruktúre 0,208% po 24 hodinách mletia (obsah dusíka rástol lineárne s dobou mletia), na základe čoho možno prehlásiť, že metóda mletia v dusíkovej atmosfére bola úspešná. XRD namletých zmesí odhalilo existenciu jediného FCC tuhého roztoku, pričom vzorky mleté v dusíku vykazovali trend nárastu mriežkového parametra s rastúcim obsahom dusíka. V mikrolegovaných vzorkách precipitovali nitridy chrómu na hraniciach zŕn FCC tuhého roztoku. Všetky vzorky boli kontaminované zmesou oxidických vmestkov a sulfidov mangánu, ktorý bol prítomný v pôvodnom mangánovom prášku. Najvyššiu hodnotu tvrdosti vykázala duplexná vzorka. Na vzorkách mletých v dusíku bol zaznamenaný nárast tvrdosti (až 334 HV 0,3) oproti etalónovej vzorke mletej v argóne (262,9 HV 0,3), čo odzrkadľuje pozitívny vplyv dusíku rozpustenom v tuhom roztoku na pevnostné charakteristiky tejto vysokoentropickej zliatiny.
|
|
|
Vlastnosti slitin s vysokou entropií legovaných kvazikrystaly
Adami, Martin ; Tesař,, Tomáš (oponent) ; Čížek, Jan (vedoucí práce)
Tato diplomová práce se zabývá zpracováním vysokoentropických slitin s přídavkem kvazikrystalů metodou slinování plazmatickým výbojem. Cílem je posouzení vlivu obsahu kvazikrystalických částic na strukturu materiálu a jeho otěruvzdornost. Rešerše je členěna do několika sekcí. První část zaujímá obecný popis vysokoentropických slitin a kvazikrystalů, včetně jejich vlastností a způsobu výroby. Další část je věnována slinování pomocí plazmatického výboje a problematice opotřebení. V experimentální části byly vzorky slinuty při teplotě 1100 °C, podrobeny analýze pomocí skenovacího elektronového mikroskopu a rentgenové difrakci a testovány na odolnost proti opotřebení metodou pin-on-disk. Bylo zjištěno, že s rostoucím obsahem kvazikrystalických částic v materiálu dochází ke zvyšování otěruvzdornosti.
|
|
|
Vliv rychlosti ohřevu na dvojstupňové slinování pokročilých keramických materiálů
Klevetová, Tereza ; Maca, Karel (oponent) ; Pouchlý, Václav (vedoucí práce)
Poslední dobou vzrůstá zájem o nové technologie a postupy týkající se zlepšení mikrostruktury pokročilých keramických materiálů. Jednou z nejvíce používaných metod je dvoustupňové slinování (Two step sintering, TSS), dále pak metoda rychlého ohřevu (Rapid rate sintering, RRS) a metoda Spark plasma sintering (SPS). V rámci této bakalářské práce byla provedena řada experimentů pro výzkum vývoje mikrostruktury propojením metody dvoustupňového slinování s metodami Rapid rate sintering a beztlaké Spark plasma sintering. Cílem práce bylo zjištění vlivu rychlosti ohřevu na velikost výsledné relativní hustoty a průměrné velikosti zrna, a to pro keramické materiály na bázi ZrO2. Výsledky práce ukazují, že u materiálu ZrO2 dopovaného 3 mol.% Y2O3 (TZ-3Y) byl zjištěn výskyt „core-shell“ struktury, což má za následek vznik nehomogenní mikrostruktury s plně zhutněným povrchem a pórovitým středem. V případě ZrO2 dopovaného 8 mol.% Y2O3 (TZ-8Y) byla tato struktura zjištěna jen v určitých případech, a to při vyšších rychlostech ohřevu, a současně bylo zjištěno, že konečná relativní hustota klesala s rostoucí rychlostí ohřevu. Při využití kubického ZrO2 s větší velikostí zrn (TZ-8YSB) se „core-shell“ struktura nevyskytovala, nicméně vždy bylo dosaženo nižší relativní hustoty cca 98 % t.d. bez ohledu na aplikovaný teplotní profil. Nejlepších výsledků bylo dosaženo u materiálu TZ-8Y při využití dvoustupňového slinování i metody rychlého ohřevu, kdy bylo dosaženo menší velikosti zrna než při slinování konvenčními metodami provedeném jinými autory. Rozdíl ve velikosti zrna byl však pouze v rámci směrodatné odchylky. V rámci práce tedy nebyl prokázán pozitivní vliv slinování metodou rychlého ohřevu na výslednou velikost zrn.
|
|
|
Příprava transparentní pokročilé keramiky na bázi Al2O3.MgO
Chvíla, Martin ; Maca, Karel (oponent) ; Pouchlý, Václav (vedoucí práce)
Keramické materiály se všeobecně vyznačují vysokou tvrdostí, vysokým modulem pružnosti, vynikající odolností vůči abrazi atd. Díky těmto vlastnostem nachází uplatnění, mimo jiné, v opticky transparentních aplikacích. Ideální formou transparentního materiálu je monokrystal. Výroba monokrystalů je však drahá a/nebo časově náročná. Z tohoto hlediska je vhodnější polykrystalická keramika. Výroba polykrystalické transparentní keramiky však s sebou nese komplikace, jakými jsou například porozita, nevhodná velikost zrn a nedostatečná čistota. Tyto okolnosti mohou být řešeny použitím slinovacích aditiv. V rámci této diplomové práce byla sepsána rešerše moderních technologií slinování pokročilé keramiky a vlivu polykrystalické mikrostruktury materiálů na jejich optické vlastnosti. Experimentální část diplomové práce se zabývá parametry přípravy polykrystalické pokročilé keramiky na bázi Al2O3MgO a studiem jejích optických vlastností. Pomocí optimálního slinovacího cyklu byly slinuty keramické vzorky hořečnato-hlinitého spinelu se slinovacími aditivy LiOH o obsahu 0; 0,3 a 0,6 hmotnostních % technologií Spark Plasma Sintering. Tímto zpracováním bylo dosaženo plně zhutněných slinutých vzorků polykrystalického hořečnato-hlinitého spinelu s výhodnými optickými vlastnostmi pro záření viditelného spektra. Bylo provedeno měření skutečné přímé propustnosti záření RIT (pro světlo vlnové délky 633 nm naměřeno až 84 %) a celkové dopředné propustnosti TFT (naměřeno více než 83 % nad 860 nm). Rozhodujícím faktorem z hlediska optických vlastností keramiky se slinovacími přísadami byla délka slinování na vysokých teplotách a čistota vstupního keramického prášku.
|
host ::
RSS.