Композиционный материал на основе алюминиевой матрицы и высокодисперсных оксидов тяжелых металлов - эффективный материал для формирования радиационно-защитных инженерных барьеров Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Бондаренко Ю. М., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

КОМПОЗИЦИОННЫЙМАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЕВОЙ МАТРИЦЫ И ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ОКСИДОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ -ЭФФЕКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ

ИНЖЕНЕРНЫХ БАРЬЕРОВ

[email protected]

Рассмотрена перспектива использования современных радиационно-защитных композиционных материалов для формирования защитных инженерных барьеров. Установлена возможность получения нового вида конструкционного радиационно-защитного композиционного материала на основе металлической алюминиевой матрицы и наполнителя в виде высокодисперсных оксидов тяжелых металлов. Сочетание высоких эксплуатационных и радиационно-защитных свойств такого материала, позволяет использовать его в качестве несущих конструкций, работающих при температурах до 550°С и внешней нагрузкой до 775 МПа., а так же обеспечивающих биологическую защиту от у-излучения в широком диапазоне энергий 0,06-1,2 МэВ с поглощенной дозой до 10 МГр.

Ключевые слова: композиционный материал, радиационно-защитный материал, инженерный барьер, алюминиевая матрица, наполнитель._

Обеспечение радиационной безопасности требует комплекса многообразных защитных мероприятий, зависящих от конкретных условий работы с источниками ионизирующих излучений, а также от типа источника [1].

При проектировании инженерных барьеров из радиационно-стойких и радиационно-поглощающих материалов параметры защиты определяются следующими факторами [2, 3, 7]:

- толщина защиты определяется радиационной обстановкой, зависящей от характеристик технологического процесса (преобладающего вида и энергии излучения, активности источников и расстояния от них, геометрией просвечивания и др.);

- размер защиты.

Такое проектирование защиты можно считать классическим, принятым в большинстве проектных организаций. Сочетание в конструкции барьера функций защитной и ограждающей приводит к созданию массивных стен и перекрытий, что является серьезной нагрузкой для несущих конструкций. Поэтому в некоторых случаях оказывается целесообразной обратная связь в проектировании, т.е. оценка роли нагрузок от защитных конструкций при компоновке технологического процесса и формирование объемно-планировочного решения. Такой подход в проектировании позволяет улучшить технико-экономические показатели конструкций ядерно-энергетических установок за счет снижения материалоемкости несущих конструкций с повышенными радиационно-защитными характеристиками [4, 5].

В обеспечение свойств инженерных барьеров специальные защитные материалы нового поколения должны[1 - 8]:

- быть устойчивыми к длительному воздей-

ствию радиации, т.е. величина поглощенной (накопленной) дозы за время технологического цикла (50 лет) должна быть не менее 1000 Мрад при сохранении на необходимом уровне или улучшении других свойств;

- быть долговечными, т.е. сохранять заданные свойства в течение всего технологического цикла при комплексном воздействии температур, влажности, фактического напряженно-деформированного состояния;

- обладать максимально возможной плотностью, способствующей максимальному ослаблению первичного и вторичного у-излучения;

- обладать высокими физико-механическими показателями;

- обладать необходимыми теплофизически-ми характеристиками (высокой термической стойкостью; высокими значениями теплопроводности для уменьшения температурного градиента по толщине защиты; минимальными значениями разности температурных коэффициентов линейного расширения составляющих частей материала, что должно обеспечивать монолитность конструкции при ее эксплуатации в знакопеременных температурах);

- быть водонепроницаемыми для исключения выщелачивания радионуклидов при контакте с грунтовыми водами и атмосферными осадками;

- быть нетоксичными, пожаро- и взрывобез-опасными;

- обеспечивать в реальных условиях минимально возможные скорости диффузии радионуклидов через барьеры (за счет целенаправленного формирования микроструктуры барьера) для исключения выхода их в окружающую среду в концентрациях, представляющих опасность;

- быть морозостойкими и жаростойкими;

- обладать высокой коррозионной стойко-

стью;

- обладать минимальной усадкой при монтаже и эксплуатации для предотвращения образования трещин;

- приготавливаться из имеющихся в достаточном количестве в РФ дешевых компонентов.

В природе нельзя найти материала, удовлетворяющего всем вышеприведенным требованиям. Поэтому в настоящее время при формировании инженерных барьеров применяют органические и неорганические конструкционные радиа-ционно-защитные композиционные материалы (включая радиационно-защитные смеси), состоящие из одного и более компонентов, которые придают всей системе свои уникальные свойства [6].

Для обоснования оптимальных путей создания нового эффективного радиационно-защитного материала, способного обеспечить инженерную защиту на объекте ядерно-энергетического комплекса, проведен мониторинг информации в области радиационно-защитных материалов строительного назначения.

Особый интерес представляют композиционные материалы, состоящие из наполнителей естественного и искусственного происхождения, упакованные в пластическую металлическую матрицу. Применение металлокомпозиционных материалов взамен традиционных бетонов обеспечивает увеличение прочности, деформативно-сти по сравнению с бетонными изделиями и позволяет сформировать ряд таких специфических свойств, как пониженная теплопроводность, повышенная износостойкость, низкая чувствительность к знакопеременным температурам и поверхностным дефектам.

В Белгородском государственном технологическом университете (БГТУ) им. В. Г. Шухова разработан новый альтернативный материал для формирования радиационно-защитных инженер-

8.0

<">.0

4,0

2.0

0,0 I

ных барьеров - композиционный материал на основе радиационно-стойкого алюминиевого сплава и радиационно-поглощающих высокодисперсных оксидов тяжелых металлов (железа и висмута) [9].

На рис.1 представлена поверхность композиционного материала на основе алюминиевой матрицы и наполнителя в виде высокодисперсных оксидов тяжелых металлов. Высокая степень заполнения расплава матрицы частицами высокодисперсного наполнителя позволяет утверждать об однородности разработанного материала [10].

Рис. 1. Поверхность композиционного материала на основе алюминиевой матрицы и высокодисперсных оксидов тяжелых металлов

0,0 2.0 4.0 6.0 8.0 мкм

а) б)

Рис. 2. Топография поверхности композиционного материала на основе алюминиевой матрицы и высокодисперсных оксидов тяжелых металлов в формате: 2 Б 10x10 мкм (а); 3Б 10x10x0.1 мкм (б)

Зондирование поверхности представленного материала полуконтактным методом в режиме топографии так же подтверждает совместимость связующего с наполнителем и однородную структуру композиционного материала [11]. На рис. 2 представлена топография поверхности композиционного материала с ходом зонда на 2,1 мкм по оси ОY. Плавные переходы на границе раздела «матрица - наполнитель» указывают наоднородность разработанного композиционного материала в целом [10].

Результаты физико-механических испытаний композиционного материала на основе ра-диационно-стойкого алюминиевого сплава и радиационно-поглощающих высокодисперсных порошков оксидов тяжелых металлов приведены в табл. 1 [9, 12].

Композиционный материал разработанного состава стоек к воздействию знакопеременных температур. При постоянной скорости изменения температуры материал выдерживает термическое напряжение без образования микротрещин на его поверхности: 45 циклов нагрева до 550 °С и резкого его охлаждения, 21 цикл нагрева до температуры 750 °С и резкого его охлаждения, 13 циклов до температуры 900 °С и резкого его охлаждения. Дальнейшее увеличение количества циклов эксперимента приводит к

образованию микротрещин на его поверхности [9] (рис. 3). Характер микротрещин не зависит от температуры окружающей среды, а непосредственно зависит от количества циклов эксперимента - с увеличением количества циклов, их геометрические размеры и степень распространения по структуре материала увеличиваются [12].

Таблица 1 Основные эксплуатационные характеристики композиционного материала на основе алюминиевой матрицы и высокодисперсных оксидов тяжелых металлов

№ Показатель Значение

1 Плотность 3848 кг/м3

2 Прочность на сжатие 750 МПа

3 Прочность при изгибе 275 МПа

4 Модуль упругости 7,38 105 МПа

5 Твердость по Бринеллю, HB (10, 3000,10) 240

6 Твердость по Роквеллу, HRС 96

7 Микротвердость по Виккерсу 3200 МПа

8 Термостойкость 550°С

9 Температура плавления 1043 °С

10 Водопоглощение (30 сут.) 0

11 Химическая стойкость (без потери массы), pH 4 - 8

а) б)

Рис. 3. Поверхность композиционного материала на основе алюминиевой матрицы и высокодисперсных оксидов тяжелых металлов: начально-образовавшиеся микротрещины (а), образовавшиеся микротрещины в результате увеличения циклов с 13 до 15 при температуре 900 °С (б)

Известно, что алюминиевые сплавы упрочняются термической обработкой. В зависимости от температур нагрева и способа последующего охлаждения различают следующие виды термической обработки: закалка, отпуск и отжиг. Композиционный материал на основе алюминиевой матрицы и высокодисперсных оксидов тяжелых металлов подвергли процедуре за-

каливания. Прочностные характеристики композиционного материала после закалки представлены в табл. 2.

Радиационно-защитные характеристики разработанного материала по отношению к гамма-излучению определялись экспериментально в геометрии узкого пучка. При исследовании защитных характеристик композиционного ма-

териала в диапазоне энергий 0,1 - 1,2 МэВ с поглощенной дозой до 10 МГр материал проявлял стабильные физико-механические свойства, а при дальнейшем увеличении поглощенной дозы (до 14 МГр) наблюдалось ухудшение его конструкционных свойств (рис. 4).

Таблица2 Прочностные характеристики композиционного материала на основе алюминиевой матрицы и высокодисперсных оксидов тяжелых металлов после закалки

дш, МПа зоо--

250 "" 200 " " 150 — 100 - -

о1-

2 4 6 8 10 12 14 А МГр

Рис. 4. Зависимость прочности при изгибе композиционного материала на основе алюминиевой матрицы и высокодисперсных оксидов тяжелых металлов от поглощенной дозы при атаке его у-квантами

Разработанный композиционный материал по радиационно-защитным характеристикам на 30 % уступает стали, на 80 % превосходит металлический чистый алюминий и на 45 % превосходит барий-серпентиновый бетон (табл. 3) [3, 7, 9, 12 - 14].

Таблица 3 Коэффициент ослабления у - лучей

Представленные характеристики разработанного композиционного материала на основе алюминиевой матрицы и наполнителя в виде высокодисперсных оксидов тяжелых металлов может быть использован в качестве эффективного материала для формирования радиационно-защитных инженерных барьеров, способных обеспечить биологическую защиту от у-излучения в широком диапазоне энергий 0,061,2 МэВ с поглощенной дозой до 10 МГр. Материал может быть использован для изготовления конструкций, работающих при температурах до 550 °С и внешней нагрузкой до 775 МПа.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Модифицирование природных минеральных систем для очистки воды от радионуклидов / Е.П. Клочков, В.И. Павленко, П.В. Матюхин, А.В. Ястребинская // Современные проблемы науки и образования. 2012. №6. С. 137 - 137.

2. Павленко В. И., Матюхин П.В. Основные аспекты разработки современных радиационно-защитных конструкционных металлокомпози-ционных материалов // Современные наукоемкие технологии. 2005. №10. С. 85-86.

3. Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястре-бинский Р.Н. Композиционный материал, стойкий к воздействию высокоэнергетических излучений // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. №2. С.25-27.

4. Павленко В.И., Матюхин П.В. Теплоизоляционный бесцементный бетон из вторичных минеральных ресурсов // Строительные материалы. 2005. №8. С. 22 - 25.

5. Interaction of fast electrons and gamma-quanta with radiation protection ferric oxide composites / V.I. Pavlenko, R.N. Yastrebinskii, P.V. Matyukhin, D.V. Voronov // Russian Physics Journal. 2008. Т. 51. № 11. С. 1188-1194.

6. Матюхин П.В. Неорганический радиаци-онно-защитный металлокомпозиционный материал строительного назначения //Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. №9. С. 39 - 43.

7. Композиционные материалы для защиты от гамма-излучения / Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, П.В. Матюхин, Н.А. Четвериков // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. №3. С.17-20.

8. Перспективы создания современных высококонструкционных радиационно-защитных металлокомпозитов / П.В. Матюхин, В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Ю.М. Бондаренко //

Тип материала Проч ность Линейный коэффициент ослабления, см-1 , для энергий (кэВ)

60 661 1200

Сталь (СТ-3) 7200 8,72 0,57 0,42

Чистый алюминий 2700 0,657 0,2 0,15

Барий- 3430 4,15 0,27 0,2

серпентиновый бетон

Композиционный 3848 5,82 0,35 0,26

материал на основе

алюминиевой мат-

рицы и высокодис-

персных оксидов

тяжелых металлов

№ Показатель Значение

1 Прочность на сжатие 775 МПа

2 Твердость по Бринеллю, HB (10, 3000,10) 305

3 Твердость по Роквеллу, HRO 120

4 Микротвердость по Виккерсу 3720 МПа

Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 2. С. 27-29.

9. Композиционный материал для радиационной защиты / Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. // патент на изобретение RUS 2470395 20.12.2010.

10. Матюхин П.В., Бондаренко Ю.М., Павленко В.И. Исследование микроструктуры поверхности композиционного материала на основе алюминиевой матрицы // Перспективные материалы. 2013. №6. С. 22 - 26.

11. Исследование влияния вакуумного ультрафиолета на морфологию поверхности нано-наполненных полимерных композиционных материалов в условиях, приближённых к условиям околоземного космического пространства / Н. И. Черкашина, В.И. Павленко, А.С. Едаменко, Ма-тюхин П.В. // Современные проблемы науки и образования. 2012. №6. С. 129 - 130.

12. Конструкционный радиационно-защитный металлокомпозиционный материал на основе алюмосодержащей матрицы и высокодисперсных оксидов тяжелых металлов / Матюхин П.В., Бондаренко Ю.М., Павленко В.И., Ястребиский Р.Н. // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 1. С. 120-120.

13. Взаимодействие быстрых электронов и гамма-квантов с радиационно-защитными желе-зооксидными композитами / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, П.В. Матюхин, Д.В. Воронов // Известия высших учебных заведений. Физика. 2008. Т.51. №11. С.66 -71.

14. Interaction of fast electrons and gamma-quanta with radiation protection ferric oxide composites / V.I. Pavlenko, R.N. Yastrebinskii, P.V. Matyukhin, D.V. Voronov // Russian Physics Journal. 2008. Т.51. №11. С. 1188 - 1194.