В качестве непрерывных армирующих наполнителей наиболее широко используют волокнистые нано-углеродные, графитовые, борные, карбидные, нитридные, оксидные, стеклянные, базальтовые и полимерные химические волокна – раздельно или в любом сочетании одного волокна с другим. Среди волокнистых наполнителей наибольший интерес представляют нанотрубчатые наполнители на основе гидросиликатов магния [1–11].
Анализ существующих проблем в области создания защиты космической ЯЭУ показал, что необходим принципиально новый подход к конструированию биологической защиты, позволяющий ослабить влияние ионизирующего излучения до установленных норм при меньшей массе защиты космической ЯЭУ [12–21].
В этом направлении наиболее перспективна разработка термостойких, высокопрочных радиационно-защитных композиционных материалов на основе термостойкой полимерной матрицы, армированной нанотрубчатыми волокнами с повышенной способностью поглощения нейтронов. На основе оценки широкого спектра российских и зарубежных литературных источников в качестве волокнистых наполнителей полимерной матрицы предложено использование нанотрубчатых наполнителей на основе гидросиликатов магния системы МgO – SiO2 – H2O, обладающих повышенными механическими и радиационно-защитными характеристиками по отношению к нейтронному излучению [22–34].
Цель исследования
Разработать состав и технологию получения нанотрубчатых наполнителей на основе гидросиликатов магния с повышенной способностью поглощения нейтронного излучения.
Материалы и методы исследования
Для получения нанотрубчатых наполнителей с повышенной способностью замедления нейтронов при синтезе волокон хризотила использовали добавки с содержанием кристаллизационной воды, в частности буру (Na2B4O7∙10Н2О) и кристаллогидрат двухвалентного железа (FeSO4∙7Н2О – железный купорос), а для поглощения тепловых нейтронов – борсодержащие соединения, в частности, борную кислоту.
Все образцы синтезированы из шихты, состоящей из смеси магния и кремниевой кислоты с соотношением компонентов 3:2. Исследованные образцы синтезировали при 673 °К, давлении водяного пара 9,81∙107 Па и суточной изотермической выдержке в присутствии различных добавок.
Для получения образца хризотила с содержанием буры брали 10–4 кг этой соли.
Результаты исследования и их обсуждение
Кривые ДТА и потери массы (ТГ) синтетических хризотилов, синтезированных с указанными добавками представлены на рис. 1.
Известно, что бор хорошо поглощает тепловые нейтроны и может изоморфно замещать кремний в минералах. В связи с этим нами синтезирован серпентин с более высокой способностью поглощения нейтронов.
В качестве исходных материалов для синтеза борсодержащего хризотила мы использовали оксид (или гидроксид) магния, кремниевую и борную кислоты. Синтез проводили при молекулярных сооношениях MgO:SiO2:В2O3 = 1,5 – 2:1 – 0,1:0,1 – 1,5 (учитывая требование MgО:(SiO2 + B2O3) = 1,5, т.е., чтобы отношение окислов соответствовало таковому в серпентине), при температурах 423–573 °К, давлении 9,81∙106 – 2,45∙108 Па и продолжительности изотермической выдержки 2–72 часа. Полученный материал, в отличие от существующих серпентинов, содержит в своём составе бор. Принадлежность синтезированной фазы к серпентину доказывается результатам рентгеновского анализа.
В зависимости от количества содержащегося в синтезированной фазе бора, продукты гидротермального синтеза обладают различной способностью поглощения тепловых нейтронов.
Волокнистые кристаллы получены из шихты, состоящей из исходных компонентов в соотношении MgO:SiO2:B2O3 = 2,4:0,1:1,5, при давлении 9,81∙106 Па и температуре 423 °K. При этой температуре для завершения процесса серпентинизации требуется трое суток, ввиду того что растворимость кремнезёма очень мала. Транспортирующим агентом для кремнезёма в гидротермальных условиях служат как вода, так и пар, следовательно, чем больше воды в реакционном объёме автоклава при данной температуре, тем больше в ней растворено кремнезёма, но увеличение количества воды приводит к увеличению давления. При увеличении температуры реакции до 573 °К (давление 9,81∙106 Па) реакция завершается за два часа. Продукты реакции представлены на рис. 2. Содержание атомов бора в хризотиле составляет от 9,5 до 10,9 % масс.
Рис. 1. Кривые ДТА (T = 653 °К) и ТГ синтетических хризотилов, синтезированных с добавкой по отношению к массе шахты: 1–5 % FeSO4∙7Н2О; 2 – Na2B4O7∙10Н2О
Рис. 2. Серпентин состава Mg6(OH)8SiB3O10. Синтез при 573 °К и 9,81∙106 Па в течение 2 час
Заключение
Разработан состав и технология получения нанотрубчатых наполнителей на основе гидросиликатов магния с повышенной способностью поглощения нейтронного излучения. В зависимости от количества содержащегося в синтезированной фазе бора, продукты гидротермального синтеза обладают различной способностью поглощения тепловых нейтронов. Содержание атомов бора в хризотиле составляет от 9,5 до 10,9 % масс.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, проект № 14-08-00325.