14.625.21.0035

Излучения высоких энергий, такие как выбросы альфа/бета частиц, гамма-лучи, а также выбросы нейтронов часто используются в широком диапазоне отраслей промышленности, в которые входит атомная энергетика, здравоохранение и аэрокосмическая отрасль. Значительная часть задач радиационной защиты может быть надлежащим образом решена с использованием металлических материалов. Вместе с тем, существуют задачи, для эффективного решения которых необходимо существенное снижение удельной массы радиационно-защитных изделий. Полимерные композиты – особенно интересные кандидаты для материалов радиационной защиты по нескольким причинам. Во-первых, они могут быть использованы в качестве конструкционных материалов, как металлы или сплавы, но при этом значительно легче, что позволит их применять в авиакосмической отрасли. Наконец,можно варьировать их свойства под конкретное применение для достижения эффективного экранирования излучения.

При выборе направления исследований в рамках текущей научно-исследовательской работы мы определили следующие требования, предъявляемые к разрабатываемым композиционным материалам:

- должны быть стойкими к высоким дозам радиационного излучения;

- должны быть стойкими к климатическим воздействиям;

- должны обладать повышенной термостойкостью;

- должны ослаблять радиационное излучение.

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования сообщают об использовании различных защитных материалов (например, бетона, полимерных композитов, тяжелых металлов, таких как свинец, композитов окиси свинца/вольфрама/олова и т.д.) для ослабления или поглощения нежелательной радиации. Эффективность экранирования данных материалов в значительной степени зависит от типа излучения и диапазона энергий. Свинец и другие металлы с высокой атомной массой используются для ослабления излучения с высокой энергией, такого как гамма-лучи. Тем не менее, эти металлы не всегда в состоянии блокировать все типы излучений, в частности выбросы нейтронов в космосе или в ядерных реакторах. Кроме того, радиозащитное снаряжение из этих материалов является тяжелым и громоздким, что нежелательно для большинства применений. Например, в мобильных ядерных устройствах и пилотируемых космических кораблях, радиозащитные материалы, которые легче  предпочтительны из-за уменьшения веса конечного аппарата.

В последние два десятилетия появились исследования, направленные на изучение применимости нано- и микро-композитов для ослабления/поглощения излучения с высокой энергией. Из-за большого отношения площади поверхности к объему, наночастицы, как сообщается, обладают повышенной способностью поглощать фотоны. Микро- или наноматериалы, диспергированные в полимерной матрице, могут быть использованы для разработки эффективной радиационной защиты.

Для обеспечения максимальной радиационной защиты требуются большие степени наполнения полимера радиационнозащитными составами. Бор (точнее, стабильный изотоп бор-10) поглощает нейтроны очень эффективно: сечение поглощения тепловых нейтронов 3837 барн, поэтому наноструктурированные соединения бора весьма перспективны в качестве радиационнозащитных наполнителей.

Анализ литературных данных, в области создания материалов с высокой температурой эксплуатации и стойкостью к радиационному излучению, показывает, что в качестве термоустойчивой полимерной основы, сочетающей при нагреве высокую деформационную и химическую устойчивость, огнестойкость могут быть эффективно использованы полиимиды. Радиационная стойкость полиимидов связана с высокой прочностью связей в имидном цикле, а также с тем, что облучение полиимидов сопровождается конкурирующими процессами – разрывом макроцепей и молекулярным сшиванием. Нанокомпозит на основе термостойкой и радиационностойкой полиимидной матрицы и наноструктурированного карбида бора обеспечивает не только поглощение излучения тепловых нейтронов, но и повышает огнестойкость разрабатываемого композиционного материала.

В качестве наполнителя для блоков предлагается использовать сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), который содержит большое количество атомов водорода. Матрица СВМПЭ модифицируется оксидами металлов с высокой атомной массой, способных улавливать γ-излучение, блоки из этого композита будут дополнительно покрыты полиимидным материалом, содержащим наноструктурированные соединения бора.

В рамках первого этапа выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы области полимерных материалов и композитов, применяемых для защиты от радиационного излучения. Проведена сравнительная оценка существующих способов защиты от радиационного излучения на основе полимерных и композиционных материалов. Разработаны методы получения диангидридов кислот и диаминов для синтеза полиимидных матриц.

В рамках второго этапа были усовершенствованы старые и предложены новые методики синтеза исходных диаминов и диангидридов кислот для синтеза полиимидных матриц. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов мономеров (диангидридов кислот, диаминов) и полиимидных матриц. Изготовлены экспериментальные образцы диангидридов, диаминов и различных образцов полиимидной матрицы. Разработана методика получения наноструктурированного карбида бора, изготовлены экспериментальные образцы, которые исследованы согласно разработанным программе и методиками исследовательских испытаний.

Разработаны методы и методики получения композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида бора и полиимида, а также оксидов металлов (диспрозия, гадолиния, самария и вольфрама) и сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний данных композитов. Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы. Разработаны рекомендации по выбору оптимального варианта состава композита «полиимид-наноструктурированный карбид бора».