Engineering Sciences Series / 2025 год / Номер 1

В статье представлена краткая история становления в ИХТРЭМС КНЦ РАН исследований по научной и технологической тематике, посвященной твердотельным монокристаллическим и керамическим материалам акусто- и оптоэлектроники, а также история создания на Кольском полуострове крупного промышленного производства монокристаллов. Кратко описаны современные тенденции развития исследований лаборатории материалов электронной техники ИХТРЭМС КНЦ РАН и достигнутые лабораторией научные и технологические результаты.

В статье приведены результаты исследований ИХТРЭМС в области металлургии редких металлов. Они включают разработку и реализацию технологий танталовых конденсаторных порошков, натриетермического порошка циркония и электролитических сверхпроводящих материалов на основе ниобия. Рассмотрены принципиальные технологические схемы и оригинальные решения отдельных входящих в них операций получения перечисленных материалов.

Рассмотрены особенности использования сольвотермического метода и метода смешения при получении материалов на основе соединений кобальта — 2-этилимидазолата или терефталата соответственно. Показана возможность варьирования параметрами получаемых частиц от 0,15 до 1 мкм за счет природы линкера и методики синтеза материала. Для полученных материалов выполнен анализ сорбционных свойств по отношению к Nd3+ и Er3+ из их водных растворов. Установлено, что сорбция Nd 3+ выше по сравнению с Er3+, что связано с особенностями механизма данного процесса.

Рассмотрено современное состояние рынка редкоземельных металлов (РЗМ) и тенденции его развития. Показана доминирующая роль магнитных РЗЭ — Pr, Nd, Sm, Dy в общей структуре потребления РЗМ. Перечислены требования к месторождениям, удовлетворяющие требованиям рынка в кратко- и среднесрочной перспективах. Предложен приоритетный порядок освоения отечественных месторождений редкоземельного сырья.

Исследованы области стеклообразования двухкомпонентных и трехкомпонентных систем на основе оксидов P2O5, Al2O3, оксидов и фторидов двухвалентных металлов (MgO, MgF2, CaO, CaF2) с различными ионными радиусами и силовыми полями. На основании проведенных исследований были разработаны прочные стекла на основе оксифторалюмофосфата с высокими показателями микротвердости (480–540 кг/мм2), перспективные в качестве костных имплантатов.

Приведены результаты синтеза и исследования кристаллических материалов на основе широкозонных сложных оксидов и алмазов, активированных радионуклидами. Представлены результаты исследования полученных материалов, изучены спектры их самосвечения, рассмотрены возможности их использования в науке и технике.

Исследована технология композиционных материалов системы углерод (алмаз) — карбид кремния, полученных методом реакционно-диффузионного спекания (реакция Тьюринга). Изучены механизмы пропитки кремнием и уплотнения композитов на основе алмазных частиц. Исследован процесс графитизации алмазных частиц при реакционном спекании. Впервые показано влияние особенностей реакционно-диффузионного механизма Тьюринга на спекание материалов алмаз — SiC и формирование микроструктуры, состоящей из трижды периодических поверхностей.

В статье представлены результаты получения сульфата никеля из некондиционных продуктов АО «Кольская ГМК».

Показана перспективность методов предварительной активации сподуменового концентрата (механическое активирование, энергетическое воздействие, высокочастотная электромагнитная обработка). Установлено повышение реакционной способности α-сподумена при сульфатизации активированного сподуменового концентрата.

Приведены результаты исследований в области получения танталовых конденсаторных порошков магниетермическим восстановлением пентаоксида тантала. Рассмотрены различные технологические приемы для масштабирования процесса восстановления с целью получения укрупненных партий порошка. Оптимизирован температурный режим восстановления и определены условия, позволившие улучшить качество получаемого порошка.

Исследован процесс получения порошка карбидов хрома при использовании в качестве прекурсора порошка хрома, а в качестве источника углерода — паров гексана. В температурном интервале 700–800 °С получены порошки трех стабильных карбидов хрома: Cr3C2, Cr7C3 и Cr23C6. Средние размеры кристаллитов карбидов хрома находятся в интервале 28–42 нм. Кривые адсорбции порошков полученных карбидов соответствуют IV типу по IUPAC. Они отличаются наличием петли гистерезиса и характерны для материалов с мезопористой структурой.

Приведены результаты влияния замещения Na в каркасном титансиликате (АМ-4) с выраженным слоистым мотивом кристаллической структуры на катионы Li+, Zn2+, Cs+, Sr2+, Rb+ на каталитические свойства в синтезе 1 -метокси-2-пропанола из метанола и пропиленоксида в условиях СВЧ-нагрева. Методами рентгенофазового анализа и спектральными методами (ИКС, ЭСДО) показано, что замещение катиона Na не влияет на структурные характеристики. Обнаружена связь между активностью в реакции получения 1 -метокси-2-пропанола и основностью катализатора. Наибольшей активностью обладает Cs-AM-4. Ключевые слова:

Получены лабораторные образцы путем смешения двух фракций измельченной породы габбро с разным размером частиц в соотношение крупная/мелкая = 1/10 и рубленных базальтовых волокон в количестве 8 % мас. от исходной массы смеси. В качестве связующего компонента использовалось калиевое жидкое стекло. Полученную массу помещали в пресс-форму с последующим прессованием и формированием заготовок. Спеченные образцы имели форму цилиндра размером h × d = 10 × 10 мм. Для всех образцов определены: пикнометрическая плотность, твердость по Бринеллю, пределы прочности и текучести при сжатии, остаточная деформация.

Изучено термическое разложение [Co(NH3)6][Co(C2O4)3]3H2O в динамическом режиме (СТА-ИК) в атмосферах аргона и воздуха. Также рассматривается термодеструкция в статическом режиме в газовых средах аргона и воздуха.

Работа посвящена выделению железа(III) из кубовых остатков дожигания производства карбонильного никеля путем их сольвометаллургического выщелачивания октанолом-1, насыщенным соляной кислотой. В ходе выщелачивания из твердой фазы в жидкую переходит не только железо(III), но и цветные металлы, однако при этом происходит их разделение — железо(III) переходит в органическую фазу, а цветные металлы в водную. Отмывка железистого экстракта соляной кислотой от цветных металлов позволяет получить чистый концентрированный раствор хлорида железа(III) на стадии реэкстракции.

Установлены закономерности экстракции катионов Pr, Nd, Dy и Y с помощью гидрофобного глубокого эвтектического растворителя на основе диалкилфосфиновой кислоты и фенола. Было показано, что коэффициент распределения ионов РЗЭ данным экстрагентом достигает 0,3 для Pr(III), 0,52 для Nd(III), 2,4 для Dy(III) и 3,7 для Y(III). Установлен механизм экстракции. Был предложен 0,5 М раствор HNO3 в качестве реэкстрагента катионов РЗЭ из органической фазы.

Получены коэффициенты распределения ионов Li, Cu, Al и Fe из солянокислого раствора глубоким эвтектическим растворителем на основе триизобутилфосфин сульфида и тимола. Изучено влияние концентрации соляной кислоты на показатели экстракции ионов металлов из индивидуальных растворов. Показана потенциальная возможность селективного выделения Cu из раствора. Проведен сравнительный анализ коэффициентов распределения металлов из индивидуальных и смешанных растворов. Установлено, что с помощью эвтектического растворителя на основе тимола можно селективно выделить Cu(II) и Fe(III) из 2 и 5 М HCl с высокими коэффициентами разделения 18 и 350 соответственно.

Определены коэффициенты распределения РЗЭ (Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb) в системе P507-CYANEX 272-Isopar L-изооктанол-HCl в диапазоне концентраций: HCl от 0,5 до 4 моль/дм3, P507-CYANEX 272: 15,30 и 50 % массовых при температуре 298 К. Водная фаза содержала смесь хлоридов РЗЭ, полученных после отделения легких РЗЭ (La-Sm) из концентрата, полученного из лопарита на Соликамском магниевом заводе.

Рассматриваются особенности процессов экстракционного получения редкоземельных металлов (РЗМ) и их информационное описание в виде 3D-моделей. Предложена математическая модель для проектирования и эксплуатации экстракционных каскадов, позволяющая решать задачи выбора количества экстракторов и определения расходов потоков фаз и обеспечивающая требуемую степень извлечения РЗМ, для различных типов сырья, экстрагентов, типов экстракторов и составов входных потоков водной и органической фаз.

Проведены исследования получения высокодисперсного порошка циркония кальциетермическим восстановлением ZrO₂. Установлено влияние сырья и режимов получения на свойства продукта. Выделены проблемы, требующие дополнительных исследований. Все используемые материалы и оборудование доступны на АО ЧМЗ.

Представлены результаты экстракции никеля из растворов никелевого производства АО «Кольская ГМК» с дальнейшим получением кристаллического сульфата никеля. В качестве экстрагента использовалась неодекановая кислота (Versatic-10). Установлено влияние кислотности водной фазы на экстракционную способность экстрагента. В ходе лабораторных экспериментов были подобраны оптимальные параметры экстракции. При этом извлечение никеля составило 87 %. На стадии пилотных испытаний на каскаде было установлено, что отклонение от оптимальных параметров приводит к образованию III фазы, препятствующей проведению процесса экстракции. На стадии пилотных испытаний были определены параметры промывки и реэкстракции никеля и количество ступеней экстракции для каждого узла. По результатам выполненных исследований определена оптимальная технологическая схема экстракции для получения сульфата никеля, соответствующего стандарту HG/T 5919-2021, сорт I.

Изучено термическое разложение комплексных соединений 3d-металлов в атмосфере аргона в области температур 200–1 000 С. Обнаружено, что при температурах >600 С образуются металл-углеродные композиции. Исследовали их состав, термостабильность, удельную поверхность и кристаллическую модификацию. Обработка композиций кислотами позволяет получить продукты с развитой поверхностью и повышенным содержанием углерода. Полученные композиции стабильны при нагревании на воздухе до 450–500 С и полностью сгорают до 700 С.

Исследовано влияние размера частиц прекурсора (Me2O5 или Mg4Me2O9, Me — Ta, Nb) на характеристики пористой структуры порошков тантала и ниобия, полученных восстановлением парами магния или кальция. Уменьшение размеров частиц Mg4Me2O9 приводит к уменьшению удельной поверхности порошков металла и величины общего объема пор. Для порошков ниобия, полученных восстановлением парами магния пентаоксида, в сравнении с восстановлением Ta2O5 характерна обратная зависимость.

Проведено исследование влияния метода получения катализатора на основе двойных комплексных солей железа и кобальта — термолиза либо гидротермального синтеза — на его свойства в процессе гидрирования СО2. Установлено, что применение гидротермального синтеза позволяет достичь более высокой конверсии СО2 (до 51,5 %), чем в случае получения катализатора методом термолиза (до 27 %), однако селективность катализатора, полученного термолизом, по углеводородам С5+ выше, чем для аналога, полученного гидротермальным синтезом.

В статье представлены результаты изучения возможности жидкостной экстракции ванадия (V) из карбонатных растворов выщелачивания титаномагнетита. Установлено, что вторичные высокомолекулярные спирты не эффективны для этих целей из-за высокого солевого фона. Перспективными экстрагентами являются третичные амины и ЧАО, способные извлекать ванадий из раствора выщелачивания, содержащего значительные количества Na2SO4, после корректировки рН.

Исследован фазовый состав продуктов магниетермического восстановления в смеси компонентов Та2О5 – Mg и Та2О5 – Mg – NaCl. Установлено, что в ходе выдержки продуктов восстановления при температуре 800–830 °С происходит упорядочивание кристаллической решетки тантала. Период элементарной ячейки уменьшился с 3,379 до 3,301 Å, что соответствует металлу с низким содержанием кислорода.

Представлены результаты по извлечению цинка сорбционным способом на ионообменных смолах из растворов, образующихся на различных стадиях очистки хлоридных никелевых растворов АО «Кольская ГМК». Показана перспективность применения анионообменной смолы АМП-п и катионообменной смолы Ку-2-8 для извлечения цинка из реэкстракта, а также использования смолы АМП-п в схеме переработки кеков гидролитической очистки реэкстракта.

В работе изучены сорбционные свойства сополимеров N,N -диаллил-N’-ацилгидразинов и трис(диэтиламино)диаллиламинофосфоний тетрафторбората с акрилонитрилом и сшитых бисакриламидом сополимеров N,N -диаллил-N’-ацилгидразинов с акрилонитрилом в отношении легких и тяжелых редкоземельных металлов. На основе этих полифункциональных полимеров получены импрегнаты и ТВЭКСы. Сорбционная емкость сополимеров была значительно увеличена путем их пропитки хелатирующими органическими лигандами — гидразидами неокислот Versatic.

Перовскитовый концентрат (ПК) содержит такие ценные компоненты, как титан, ниобий, тантал, редкоземельные элементы (около 55 % по оксидам). Нежелательной примесью в ПК являются радиоактивные компоненты (РАК), которые являются одним из основных препятствий в продвижении технологии к промышленному внедрению. Как показывают многочисленные исследования эффективно отделить РАК можно при взаимодействии ПК с азотной кислотой. В жидкую фазу вместе с торием переходят оксиды редкоземельных элементов, кальций, а титан, ниобий и тантал образуют твердую фазу. Азотнокислотную обработку, на наш взгляд, целесообразно проводить в автоклаве, условия которого обеспечивают формирование титано-редкометалльного кристаллического осадка, содержащего преимущественно рутил, являющегося прекурсором, который эффективно используется в хлоридной технологии титанового и титано-редкометалльного сырья с получением металлического титана и редкометалльных соединений.

Выполнено комплексное физико-химическое исследование кварцевого песка Раменского месторождения, полученного на его основе непрозрачного кварцевого стекла и изделий из кварцевой керамики с использованием инструментальных (рентгенофазового и рентгенофлуоресцентного анализов, высокотемпературной дилатометрии, оптической микроскопии в проходящем и отр аженном свете, синхронного термоанализа), физических (определение плотности и пористости, зернового состава) и химических методов анализа.

Одним из важнейших приборных методов для контроля качества непрозрачного кварцевого стекла, полученного методом плазменного плавления из песка Раменского месторождения, является рентгенофазовый метод. Дифрактограммы получены на настольном рентгеновском дифрактометре «Дифрей-401» и дифрактометре общего назначения ДРОН-7. Изучена кинетика кристаллизации непрозрачного кварцевого стекла в изотермических и динамических термических условиях. Методом рентгенофазового анализа в исследуемых образцах фиксируется образование кристобалита, количество которого возрастает с увеличением температуры и длительности выдержки. Найдены количественные характеристики по кинетике образования кристобалита в непрозрачном кварцевом стекле.

В настоящей работе были исследованы электронные спектры поглощения (ЭСП) разбавленных растворов YbCl3 в расплавленных NaCl, NaCl-KCl (1:1), KCl, RbCl и CsCl в диапазоне от температуры плавления до 1 000 °С. Проанализировано влияние температуры и катиона соли-растворителя на ЭСПYbCl3 в расплавленных хлоридах.

Исследован процесс электрохимического окисления отходов сплава W-Re (на примере сплава типа ВР-26 (мас. %: 74 W, 26 Re)) под действием постоянного и симметричного синусоидального переменного тока промышленной частоты (50 Гц) при изменении плотности тока (0,5 ÷ 2,0 А/см2) и температуры электролита (20 ÷ 50 °С) в водном растворе карбоната аммония (0,5 ÷ 1,0 М). Было установлено, что в оптимальных условиях использование постоянного тока обеспечивает высокоскоростное растворение сплава (~22 кг/м2·ч), в то время как применение переменного тока позволяет синтезировать микродисперсный оксидный вольфрам-рениевый порошок. Предложена принципиальная технологическая схема получения W-Re порошка электрохимическим способом, обеспечивающая степень извлечения вольфрама и рения из отходов в порошок ~50 %.

Показано, что при взаимодействии перовскитового концентрата с разбавленной серной кислотой (СН2SO4 50–55 %) в автоклаве при повышенной температуре титан, ниобий, тантал более чем на 80 % переходят в сернокислотную жидкую фазу, устойчивую к образованию соответствующих сульфатных соединений. Это позволяет значительно упростить процесс разделения компонентов в комплексной технологической схеме переработки перовскитового концентрата. При термическом гидролизе раствора получен титановый продукт, содержащий, помимо диоксида титана и ниобия, примеси тантала и железа. Предполагается, что его можно использовать в металлургии титана и редких металлов, а также при получении соединений с функциональными свойствами, необходимыми для термостойкой проводящей керамики, электроники.

Приведены основные технологические решения по переработке шлаков черной металлургии. Показано, что технология переработки шлаков включает два основных передела: первичную переработку, связанную с обращением с жидким шлаком, выпуском его из печи, транспортировкой, охлаждением (грануляцией, поризацией, волокнообразованием, литьем и т. п.), и вторичную, включающую операции, связанные с затвердевшим шлаком на отвалах и дробильно-сортировочных установках (ДСУ). Переработка шлаков черной металлургии пополняет сырьевую базу стройиндустрии, возвращает в металлургическое производство до 30 % сталеплавильных шлаков и весь объем извлеченных металлических включений. Современные требования экономики и охраны окружающей среды требуют создания и внедрения технологий и оборудования по переработке шлаков в жидком виде, улучшения качества продукции на этапе первичной переработки. К настоящему времени разработаны основные технологические решения по массовой переработке шлаков, что позволяет ставить задачу по полному переводу предприятий черной металлургии на работу без шлаковых отвалов.

В статье представлены результаты по выделению из высокоактивных отходов циркония и из оболочек ОЯТ перспективного металла, который широко применяется в различных областях промышленности, в том числе в атомной отрасли

Выполнены лабораторные исследования и расчеты процессов восстановления и плавки ильменитовых концентратов Медведевского, Куранахского и Гремяха-Вырмеского месторождений. Предложена двухстадийная технологическая схема, включающая восстановление ильменито-угольных брикетов в кольцевой печи и плавку горячих металлизованных брикетов в руднотермической печи с получением титанового шлака и чугуна. В результате исследований установлено, что получение брикетов с высокой степенью металлизации в кольцевой печи возможно в результате термообработки при температуре 1 400–1 500 °С в течение 15–30 мин. Применение двухстадийной схемы с предварительным восстановлением в кольцевой печи позволит снизить расход электроэнергии при выплавке титанового шлака из ильменитовых концентратов на 2 200–2 400 кВт·ч/т.

С целью аналитического сопровождения технологии получения порошка циркония натриетермического (ПЦрН) и с учетом современного приборного и материального оснащения аналитических лабораторий разработаны и освоены альтернативные методы контроля примесей (водорода, углерода, фтора, хлора), удовлетворяющие современным приборным методам в аналитической химии. Разработаны и аттестованы методики измерений примесного состава. Обеспечен полноценный и достоверный контроль примесей ПЦрН, полностью удовлетворяющий требованиям предприятий-заказчиков. Методики аналитического контроля примесей (водорода, углерода, фтора, хлора) внедрены в ТУ 48-4-376-76.

Представлены результаты синтеза из оксалатного прекурсора литийпроводящего твердого электролита состава Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3 (LATP) с использованием в качестве исходного компонента гидроксида титана TiO(OH)2, полученного из титанита CaTiSiO5. Значения удельной ионной проводимости LATP при комнатной температуре, измеренные методом импедансной спектроскопии, составляли 1,1∙10-4 См/см, что соответствует значениям для твердых электролитов указанного состава. Изучена температурная зависимость ионной проводимости LATP в интервале 25–150 °С и определена энергия активации проводимости (0,23 эВ). Основываясь на электрохимических характеристиках, делается вывод, что синтезированные твердые электролиты являются перспективными материалами для твердотельных литий-ионных аккумуляторов.

Представлены результаты исследования возможности получения геополимерных материалов на основе природных алюмосиликатов (каолина и бентонита) отечественных месторождений и золы уноса. Изучен процесс геополимеризации и перекристаллизации алюмосиликатного сырья в условиях его щелочной активации при различных соотношениях тв/ж и SiO2/Al2O3. Исследованы механическая прочность на сжатие и изгиб, а также химическая стойкость полученных материалов в кислой и щелочных средах. Показаны перспективы их использования для получения конструкционных и функциональных материалов с заданными свойствами.

Метод газофазного синтеза через транспортную химическую реакцию с участием монофторида алюминия, разработанный в СССР для рафинирования металлического алюминия, был адаптирован и масштабирован для получения различных функциональных материалов, в частности нанопорошкового нитрида алюминия, волокнистого кремния и композитного материала на его основе. Продемонстрирована возможность метода для селективного извлечения кремния из техногенных отходов, например, боя огнеупоров и шамота, демонстрирующая экономический потенциал технологии. Произведенные с помощью программного обеспечения HSC Chemistry термодинамические расчеты, а также первые экспериментальные результаты показывают перспективность метода для получения редких и других ценных металлов.

Масс-спектрометрическим эффузионным методом Кнудсена определен состав газовой фазы и парциальные давления молекулярных форм пара над образцами систем SrO-TiO2, SrO-HfO2, TiO2-HfO2 и SrO-TiO2-HfO2. По измеренным величинам парциальных давлений молекулярных форм пара рассчитаны активности наиболее летучего компонента в каждой из систем. На основе обобщенной решеточной теории ассоциированных растворов проведено моделирование термодинамических свойств системы SrO-TiO2-HfO2 при температуре 2 300 К, в результате получены концентрационные зависимости активностей оксидов стронция, титана и гафния. Для сечения исследуемой системы при TiO2:HfO2 = 1:1 (мол. дол.) рассчитаны концентрационные зависимости относительных чисел связей различного типа с учетом второй координационной сферы в модельной решетке, иллюстрирующие связь избыточной энергии Гиббса с ассоциацией структурных элементов. На примере изученной системы SrO-TiO2-HfO2 показано, что величины энергетических параметров решеточной модели, получаемые при оптимизации бинарных оксидных систем, могут быть использованы для оценки термодинамических свойств трехкомпонентных систем, состоящих из тех же компонентов.

Приведены результаты тестирования риска влияния синтетических аналогов титаносиликатных минералов линтисита, зорита, иванюкита, ситинакита и натисита на живые организмы при помощи проведения исследований с использованием раствора, моделирующего состав искусственной плазмы крови (ИПК) (модель in vitro), и плодовой мухи Drosophila melanogaster (модель in vivo).

В ходе работы были определены транспортные свойства композитных мембран на основе коммерчески доступного сополиимида и цеолитоподобных титаносиликатных минералов в процессе газоразделения, установлена взаимосвязь данных параметров со структурой мембран и физико-химическими характеристиками. Для исследования последних были привлечены в том числе такие методы, как термогравиметрический анализ, атомно-силовая микроскопия и газоразделение. Показано, что все исследуемые мембраны обладают термической стабильностью и хорошими механическими свойствами, что гарантирует технологичность при сборке мембранных модулей и в других применениях, например, в качестве упаковочных мембран. Установлено, что при создании композитов улучшились индивидуальные транспортные свойства матричного сополиимида: повысилась селективность при разделении промышленно значимых газов.

Экспериментально определено, что в результате реакционного спекания керамических материалов из мелкодисперсных порошков в формируемой неравновесной системе TiB 2–SiC–C–Si синтезируется стабильная функциональная матрица на основе SiC–TiB2. Физико-механические характеристики опытного материала на образцах: σизг — 415 МПа, E — 310 ГПа, НV — 21 ГПа. В результате реакционного спекания керамических материалов из мелкодисперсных порошков в формируемой неравновесной системе TiC–SiC–C–Si синтезируется нестабильная функциональная матрица на основе SiC–TiС с охрупчивающими побочными соединениями — силицидами титана. Физико-механические характеристики опытного материала на образцах: σизг — 130 МПа, E — 300 ГПа, НV — 21 ГПа

Показано, как работа с функционалами Минковского (M0 — объем, M1 — площадь поверхности, M2 — средняя интегральная кривизна, M3 — характеристика Эйлера — Пуанкаре и набор чисел Бетти) выявляет связи между разными видами объектов (фазами), размещенными в одном объеме. Наша работа показывает возможности использования инструментария функционалов Минковского и чисел Бетти для описания внутренней структуры сложных материалов на примере минералов реального геологического образца (меймечит, Контозерский комплекс). Большая ценность представленного подхода заключается в количественной характеризации топологических и морфологических особенностей фаз. Изображение для анализа методами алгебраической топологии и интегральной геометрии было получено с помощью рентгеновской компьютерной микротомографии (X-μCT).