本发明属于核废物固化，具体涉及一种a2b2o7型高熵氧化物陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术：
1、目前热门的高放废物固化方式是玻璃固化。但是，玻璃固化在工程实践应用中存在一些问题：(1)玻璃固化过程中会产生大量有害气体和废物，这使得高放射性废物的处理成本和难度大大增加；(2)玻璃相是亚稳状态，在一定潮湿和高温的环境中会发生溶解腐蚀，导致高放废物被释放；(3)玻璃固化体的制备也是一个难点，玻璃结晶是一个不受控制的过程，这导致玻璃固化体的制备过程中不能出现应力，即使是制备成功后玻璃固化体也很容易因外力而断裂，这对于固化体长期的稳定存放是极其不利的。(4)在玻璃熔体中溶解度低的元素和化合物并不适合作为网络结构形成物或修饰物进入玻璃结构，同时，一些易挥发(如129i和36cl)或与硅酸盐玻璃相容性低的高放射性核素(如135cs)，很难通过玻璃来固化。
2、在地质储存时，复杂的热和辐射环境可能会导致固化体中的放射性核素释放到周围环境中，因此核废物固化体必须具有良好的耐辐射性和优异的耐腐蚀性。陶瓷被认为比玻璃具有更高的化学耐久性和热稳定性，放射性核素与许多硅酸盐矿物和岩石不会发生反应。因此，开发新型的陶瓷固化材料以提升高放废物放置的安全性具有重要意义。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种a2b2o7型高熵氧化物陶瓷及其制备方法和应用，综合考虑核废物固化体必须满足包容量大、力学性能高、抗浸出性高、热稳定性高、优良的抗辐射性能和技术可行等具体条件，确定各成分配比，采用高能球磨后放电烧结的方法制备高熵陶瓷，得到组织结构均匀的单相bcc结构(gd0.2sm0.2dy0.2er0.2yb0.2)2ti2o7高熵氧化物陶瓷。
2、本发明具体是通过如下技术方案来实现的。
3、本发明所设计高放废物固化材料高熵氧化物陶瓷为a2b2o7型高熵氧化物陶瓷，具体成分为(gd0.2sm0.2dy0.2er0.2yb0.2)2ti2o7。
4、(1)高放废物固化材料成分的选择主要考虑固化基体的力学性能和抗辐照性能：当a是gd元素，b是ti或zr元素时，形成的a2b2o7型氧化物具有优良的结构稳定性和优异的抗辐照性能；选取离子半径相近的稀土元素的氧化物以确保高熵陶瓷材料中形成稳定的单相固溶体。综合考虑以上，选取gd2o3，sm2o3，dy2o3，er2o3，yb2o3以及tio2制备a2b2o7型高熵氧化物陶瓷。
5、(2)以等原子比氧化物设计高熵材料，使材料的结构熵最高。
6、本发明提供的高熵氧化物物陶瓷致密度高，为单相体心立方结构，具有良好的组织和成分均匀性。
7、本发明还提供了一种a2b2o7型高熵氧化物陶瓷的制备方法，用于制备所述的a2b2o7型高熵氧化物陶瓷，包括以下步骤：
8、按照(gd0.2sm0.2dy0.2er0.2yb0.2)2ti2o7配比称取gd2o3，sm2o3，dy2o3，er2o3，yb2o3以及tio2原料粉末；
9、将称取的原料的混合料进行球磨，之后将球磨后的粉末进行放电等离子烧结，制备所述a2b2o7型高熵氧化物陶瓷。
10、在本发明的一些实施方式中，gd2o3，sm2o3，dy2o3，er2o3，yb2o3以及tio2均采用纯度99wt.％以上的原料。
11、在本发明的一些实施方式中，为了防止原料粉末氧化或粉末处理过程中发生劣化，原料粉末被预先放入手套箱中，手套箱的氧气浓度低于4ppm，h2o含量低于0.01ppm。
12、在本发明的一些实施方式中，混合料和研磨球的质量比为1:10，球磨机速度设置为500转/分，采用正反转方式，每个周期运行20分钟，间隔10分钟，防止球磨中粉末过热造成球磨罐中压力增大，总计15个球磨周期。
13、在本发明的一些实施方式中，放电等离子烧结时，目标烧结温度为1100-1400℃。
14、在本发明的一些实施方式中，放电等离子烧结时，温度变化如下：在加热过程中样品升温速率初始为100℃/min，在接近目标烧结温度前100℃时升温速率降为50℃/min，达到目标烧结温度后保温6min，保温后开始降温，降温速率为100℃/min，降至600℃时结束程序，待样品冷却至室温后取出样品。
15、在本发明的一些实施方式中，放电等离子烧结时，放电等离子体烧结设备模具两端的压力设置为50mpa，放电等离子体烧结腔室持续保持真空状态，温度由对准模具测温孔的红外测温仪进行监测。
16、本发明提供了一种核废物固化材料，由所述的a2b2o7型高熵氧化物陶瓷制备。
17、高熵陶瓷的高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应使其相对于传统陶瓷具有极高的熔点、高硬度、高抗氧化性、耐腐蚀和良好的耐辐照性而受到广泛关注，成为极具发展前景的核能应用候选材料。本发明的核废物固化材料用高熵氧化物陶瓷成分设计科学，制备方法简单，与现有高放废物固化材料相比具有以下优点：
18、1、本发明的a2b2o7型高熵氧化物物陶瓷成分配比合理科学，适用于高放废物固化条件。a位点金属元素gd、sm、dy、er、yb为等原子比，b是ti元素形成的a2b2o7型氧化物具有优良的结构稳定性和优异的抗辐照性能；选取离子半径相近的稀土元素的氧化物以确保高熵陶瓷材料中形成稳定的单相固溶体。高熵氧化物陶瓷相比单组元氧化物存在晶格畸变，可以提高高熵氧化物陶瓷固化材料的抗辐照性能。
19、2、本发明的高熵陶瓷采用常规的高能球磨、放电等离子烧结，制备方法简单，所制备的高熵氧化物陶瓷(gd0.2sm0.2dy0.2er0.2yb0.2)2ti2o7致密度高，为单相体心立方(bcc)结构，具有良好的组织和成分均匀性。
20、3、本发明的高熵氧化物陶瓷固化材料具有良好的抗辐照性能和力学性能，其最高维氏硬度超过13.3gpa，致密度超过98.46％。
1.一种a2b2o7型高熵氧化物陶瓷，其特征在于，用于制备核废物固化材料，所述高熵氧化物陶瓷的分子式为(gd0.2sm0.2dy0.2er0.2yb0.2)2ti2o7。
2.根据权利要求1所述的a2b2o7型高熵氧化物陶瓷，其特征在于，所述高熵氧化物陶瓷为单相体心立方结构。
3.一种a2b2o7型高熵氧化物陶瓷的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1所述的a2b2o7型高熵氧化物陶瓷，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，gd2o3、sm2o3、dy2o3、er2o3、yb2o3以及tio2均采用纯度99wt.％以上的原料。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，各原料粉末被预先放入手套箱中，手套箱的氧气浓度低于4ppm，h2o含量低于0.01ppm。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，球磨时，混合料和研磨球的质量比为1:10，球磨机速度为500转/分，采用正反转方式，总计15个球磨周期，每个周期运行20分钟，相邻两个周期间隔10分钟。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，放电等离子烧结时，目标烧结温度为1100-1400℃。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，放电等离子烧结时，温度变化如下：在加热过程中样品升温速率初始为100℃/min，在目标烧结温度前100℃时升温速率降为50℃/min，达到目标烧结温度后保温6min，保温后开始降温，降温速率为100℃/min，降至600℃时结束程序，待样品冷却至室温后取出样品。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，放电等离子烧结时，放电等离子体烧结设备模具两端的压力设置为50mpa，放电等离子体烧结腔室持续保持真空状态。
10.一种核废物固化材料，其特征在于，由权利要求1所述的a2b2o7型高熵氧化物陶瓷制备。