В настоящее время развитие атомной энергетики идет огромным темпом. Рост потребности в энергии при ограниченных ресурсах и плохой экологии в мире делает актуальной проблемой развития новых технологий, направленных на управление ядерными технологиями. В тоже время активно развивается направление по разработке новых радиационно-стойких материалов ядерной энергетики. Под влиянием ионизирующего излучения на материалы происходят структурные изменения в них – радиационные дефекты, которые ухудшают работоспособность материалов, или полностью их разрушают [1, 6, 7, 11, 13, 24, 27, 30].
Особенно сложно разрабатывать радиационно-защитные материалы, которые планируется использовать в космосе. Кроме ионизирующего излучения в космосе действует ряд негативных факторов, которые выводят из стоя различные элементы космического корабля, нарушая его работоспособность. Поэтому перспективным является направление по разработке радиационно-стойких и радиационно-защитных материалов, которые могут найти свое применение в космической промышленности.
В последнее время много внимания уделяется разработке полимерных материалов, используемых в космическом пространстве. Как известно, полимерные материалы по сравнению с металлами обладают малой массой и являются более доступным сырьевым материалом. Однако, под воздействием космического излучения они более подвержены деструкции, нежели чем металлы, зато металлы под воздействием электронного облучения создают вторичное гамма-излучения, а для полимеров такой проблемы не существует [10, 14, 15, 19, 28]. Поэтому создание композитов на основе полимерной матрицы и металлического наполнителя позволит создавать новые материалы, обладающими совершенно новыми уникальными свойствами. Кроме того варьируя количество наполнителя создается возможность управлять функциональными свойствами разработанного композита [2, 5, 8, 9, 20, 22, 23, 25, 31, 32]. Известны способы синтеза полимерных композитов, которые позволили создать материалы стойкие к самому негативному фактору космоса, влияющего именно на полимеры – атомарному кислороду [12]. Применение кремнийорганических наполнителей позволяет создавать материалы устойчивые к вакуумному ультрафиолету [3, 4, 17, 16, 18, 26].
Металлические наполнители, используемые для синтеза полимерных композитов, могут быть различного химического состава – это металлы, их оксиды или соли. Размер наполнителя в данном случае играет сильную роль. Применение высокодисперсных частиц позволяет получить материалы с совершенно другими электрофизическими и физико-механическими свойствами [21, 29].
В данной работе представлены данные по разработке технологии получения радиационно-стойких полимерных композитов на основе полимерной матрицы и модифицированного высокодисперсного порошка оксида алюминия.
Цель исследования
Изучить возможность создания радиационно-стойких полимерных композитов на основе полимерной матрицы и модифицированного высокодисперсного порошка оксида алюминия для возможности использования их в условиях космоса.
Материалы и методы исследования
Синтез высокодисперсного порошка оксида алюминия проводили по золь-гель технологии. Исходным реагентом был хлорид алюминия марки А-1 (бесцветные кристаллы с размером частиц мене 1 мм).
В качестве матрицы использовали полиэтилен низкого давления (ПНД). Полиэтилен низкого давления характеризуется хорошей ударной прочностью и большей теплостойкостью по сравнению с полиэтиленом высокого давления. Кроме того, он обладает отличными диэлектрическими характеристиками, что необходимо в условиях космоса.
Облучение синтезированных композитов проводили в специализированной установке, имитирующей околоземное космическое пространство: вакуум (давление не более 10-3 Па); температура – 150 °С до + 150 °С, ионизирующее излучение (вакуумный ультрафиолет с длиной волны λ = 90…115 нм, интенсивность 0,5 Вт/м2) (рис. 1).
Рис. 1. Схема специализированной установки, имитирующей условия околоземного космического пространства
Рис. 2. Зависимость потери массы полученного композиционного материала от времени выдержки в специализированной камере
Результаты исследования и их обсуждение
Синтез высокодисперсного порошка оксида алюминия проводился в несколько этапов:
I. Растворение хлорида алюминия в водном растворе:
AlCl3 + H2O→[Al(OH2)6]3+
II. Получение белого осадка гидроксида алюминия, обладающего аморфной структурой:
[Al(OH2)6]3+ + ОН– = [Al(ОН)(OH2)5]2+ + Н2О
[Al(ОН)(OH2)5]2+ + ОН– = [Al(ОН)2(OH2)4]+ + Н2О
[Al(ОН)2(OH2)4]+ + ОН– = [Al(ОН)3(OH2)3]0 + Н2О
[Al(OH2)6] 3++3 ОН– = Al(OH)3↓
III. Получение оксида алюминия нагреванием его гидроксида:
Al(OH)3 (t > 1000 °C) → Al2O3
Полученный порошок представлял собой высокодисперсный порошок белого цвета с плотностью 3,9 г/см3. Для совместимости металлического порошка с полимерной матрицей с его модифицировали кремнийорганическим соединением – ГКЖ-11 (гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость), которое придало оксиду алюминия гидрофобные свойства. Модифицирование наполнителя позволило ему равномерно распределиться в матрице, не создавая конгломератов.
Далее методом горячего прессования были получены образцы полимерных композитов с 70 % содержанием модифицированного наполнителя. Полученные образцы композитов подверглись облучению вакуумному ультрафиолету в течении 24 часов при обычной (комнатной) температуре 20 °С и при повышенной 125 °С. После каждых 3-х часов обработки в камере проверяли потерю массы. Зависимость потери массы полученного материала от времени выдержки представлено на рис. 2.
Зависимость потери массы синтезированного композита в процессе облучения приобретает пологий характер и как видно из рис. 1 кинетические кривые потери массы с ростом времени все более замедляются, а к 15 часам композиты при всех видах воздействия практически прекращают терять вещество.
Для изделий космической техники рекомендуется применять полимерные материалы, которые имеют общую потерю массы при воздействии ВУФ не более 1 % в течение 24 часов согласно ГОСТ Р 25645.338–96. Потеря массы для всех исследованных материалов не превысила допустимого предела при обычной температуре 20 °С и составила 0,45 мас. %, а также при повышенной температуре 125 °С – 0,78 мас. %. Это говорит об устойчивости разработанного полимерного композита к агрессивным воздействиям космоса.
Заключение
Авторами рассмотрена возможность синтеза полимерных композитов на основе полиэтилена низкого давления и высокодисперсного металлического порошка оксида алюминия. Представлен синтез высокодисперсного оксида алюминия по золь-гель технологии. Представлена возможность модифицирования оксида алюминия кремнийорганическим соединением – ГКЖ-11 (гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость). Модифицирование наполнителя позволило ему равномерно распределиться в матрице, не создавая конгломератов. Установлено, что композит, содержащий в себе 70 % наполнителя обладает высокой стойкостью к факторами, имитирующим космическое пространство. Потеря массы композита после воздействия вакуумного ультрафиолета не превысила 1 % , что согласуется с нормативными документами по изделиям космической техники.
Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K.