В настоящее время широкое использование получили композиционные материалы для защиты от ионизирующего излучения (ИИ). Как известно, для создания защиты от каждого вида ИИ требуется свой подход. Тяжелые элементы хорошо защищают от гамма-излучения, тогда как легкие элементы (водород, бор) лучше использовать для защиты от нейтронного излучения [6–8, 11, 24].
В космосе другая ситуация. Там нужно защищаться от вакуумного ультрафиолета, набегающего потока атомарных частиц, в особенности атомарного кислорода, резкого перепада температур и т.д. Имеется множество работ по повышению устойчивости полимерных композиционных материалов к негативным факторам космоса [3, 4, 10–19].
К настоящему моменту создано много материалов радиационно-защитного назначения. Однако, большинство из них способны защитить только от одного вида ИИ и имеют ряд других физико-механических и эксплуатационных недостатков [1, 2, 5, 9, 13, 23]. К ним можно отнести малый температурный диапазон использования, невысокую прочность при сжатии и изгибе, повышенную себестоимость.
В некоторых случаях, к примеру, при разработке радиационной защиты для перспективных космических аппаратов, оснащенных ядерными энергетическими установками, требования к защитным материалам особенно высоки [20–22, 25–32]. В случае же проектирования радиационной защиты атомных подводных лодок требования снижаются, но все же следует уделять внимание максимальному снижению объема, занимаемого защитными конструкциями, и повышению температурного интервала их эксплуатации.
Таким образом, разработка радиационно-защитного композита для защиты от гамма-излучения является перспективным направлением.
Цель исследования
Изучить возможность синтеза радиационно-защитного композита для защиты от гамма- излучения.
Материалы и методы исследования
В качестве связующего материала для радиационно-защитного композита была выбрана стекломатрица, химический состав которой представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав стекломатрицы
|
Содержание, масс. % |
|||||
|
PbO |
B2O3 |
SiO2 |
ZnO |
PbO2 |
CeO2 |
|
78,5 |
13,2 |
4,2 |
3,1 |
0,4 |
0,6 |
В качестве защитного наполнителя использовали нанотрубчатый хризотил, модифицированный путем введения в структуру нанотрубок вольфрамата свинца PbWO4 в количестве до 30 масс. %. Применение данного наполнителя обусловлено сочетанием улучшенных физико-химических и механических свойств гидросиликатных нанотрубок, а также повышением физико-механических показателей, температуро- и радиационной стойкости композита по сравнению с обычным дисперсным наполнителем.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате исследований был синтезирован композиционный материал, содержащий в себе 10 % нанотрубчатого хризотила, 50 % вольфрамата свинца, остальное – стекломатрица.
Физико-механические характеристики разработанного материала представлены в табл. 2.
Таблица 2
Основные характеристики разработанного композита
|
№ п/п |
Параметр |
Значение |
|
1 |
Плотность, г/см3 |
6,3 |
|
2 |
Предел прочности при сжатии, МПа |
280 |
|
3 |
Микротвердость HV, МПа |
355 |
|
4 |
Пористость, % |
0,4 |
|
5 |
Водопоглощение, % |
0 |
|
6 |
Температуростойкость, °С |
400 |
|
7 |
Термостойкость, °С |
> 370 |
Методом математического моделирования были проведены расчеты линейного коэффициента ослабления гамма-излучения для рассматриваемого состава композита. Расчеты производились по стандартным методикам в программе MathCad. На рис. 1 представлена зависимость полученного линейного коэффициента ослабления от энергии излучения.
Рис. 1. Кривая зависимости линейного коэффициента ослабления в разработанном композите от энергии излучения
Анализ рис. 1 показывает, что линейный коэффициент ослабления уменьшается при увеличении энергии излучения. Для достоверности разработанной модели по вычислению линейного коэффициента ослабления был экспериментально по интенсивности поглощения без материала и с защитным материалом вычислен линейный коэффициент ослабления. Исследования проводили на специализированном оборудовании Гамма-дефектоскоп «Гаммарид-192/120МД». Использовали источник излучения на основе радионуклида 192Ir, эффективная энергия γ-излучения составила 0,4 МэВ. На рис. 2 представлены основные радиационно-защитные характеристики разработанного композита (СХВ 10-50), а также для сравнения железа и свинца.
Анализ линейного коэффициента ослабления по моделированию и расчетного при одной и той же энергии 0,4 МэВ достаточно близки. Погрешность составляет не более 7 %. Поэтому можно сказать, что разработанная модель по расчету линейного коэффициента ослабления является достоверной.
Анализ всех проведенных результатов показал высокую радиационную стойкость разработанного композита на основе стекломатрицы и нанотрубчатого хризотила, модифицированного путем введения в структуру нанотрубок вольфрамата свинца PbWO4.
Рис. 2. Основные радиационно-защитные характеристики разработанного композита (СХВ 10-50), железа и свинца
Заключение
В работе представлены исследования по синтезу радиационно-защитного композита. В качестве связующего материала для радиационно-защитного композита использовали стекломатрицу, а в качестве защитного наполнителя использовали нанотрубчатый хризотил, модифицированный путем введения в структуру нанотрубок вольфрамата свинца PbWO4 в количестве до 30 масс. %.
В результате исследований был синтезирован композиционный материал, содержащий в себе 10 % нанотрубчатого хризотила, 50 % вольфрамата свинца, остальное – стекломатрица со следующими физико-механическими показателями: плотность 6,3 г/см3, предел прочности при сжатии 280 МПа, микротвердость 355 МПа, пористость 0,4 %.
Методом математического моделирования были проведены расчеты линейного коэффициента ослабления гамма-излучения для рассматриваемого состава композита. Анализ линейного коэффициента ослабления по моделированию и расчетного при одной и той же энергии 0,4 МэВ достаточно близки. Погрешность составляет не более 7 %. Поэтому можно сказать, что разработанная модель по расчету линейного коэффициента ослабления является достоверной.
Анализ всех проведенных результатов показал высокую радиационную стойкость разработанного композита на основе стекломатрицы и нанотрубчатого хризотила, модифицированного путем введения в структуру нанотрубок вольфрамата свинца PbWO4.
Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K.