Регистрация / Вход
Прислать материал

14.625.21.0035

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.625.21.0035
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ"
Название доклада
Разработка композиционных материалов с наноструктурированными соединениями бора для создания быстровозводимых конструкций и покрытий с заданными анизотропными свойствами, предназначенных для защиты от радиационного излучения
Докладчик
Возняк Алена Игоревна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели:
- Разработка материала, позволяющего создавать функциональные звенья для быстрого и оперативного возведения конструкций для защиты от радиационного излучения.
- Создание композиционных материалов на основе наноструктурированных соединений бора для создания быстровозводимых конструкций и покрытий, предназначенных для защиты от радиационного излучения.
- Разработка лабораторного технологического регламента производства композиционных материалов на основе наноструктурированных соединений бора.
- Создание лабораторной установки по производству композиционных материалов на основе наноструктурированных соединений бора.

Задачи:
- Разработать методику получения и изготовить экспериментальные образцы необходимых мономеров для синтеза полиимидных матриц, самих полиимидных матриц, наноструктурированного карбида бора, композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида бора и полиимида.
- Разработать методику получения и изготовить экспериментальные образцы композиционных материалов на основе оксида металла и СВМПЭ.
- Провести исследовательские испытания полученных образцов композиционных материалов.
- Выбрать оптимальные варианты составов композиционных материалов.
- Разработать лабораторный технологический регламент получения композиционных материалов.
- Создать лабораторную установку для получения композиционных материалов, на которой изготовить экспериментальный образец.
- Разработать предложения и рекомендации по реализации результатов, проведённых исследований в реальном секторе экономики.
Актуальность и новизна исследования
Существует растущий спрос на разработку новых защитных материалов, которые могут быть подстроены в соответствии с конкретными применениями (или типом излучения). 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 частицы с высокой энергией, поэтому микро- или наноматериалы, диспергированные в полимерной матрице, могут быть использованы для разработки эффективной радиационной защиты. Полимерные композиционные материалы особенно интересные кандидаты для материалов радиационной защиты по различным причинам. Во-первых, они могут быть использованы в качестве конструкционных материалов, как металлы или сплавы, но при этом значительно легче. Во-вторых, можно варьировать их свойства для достижения эффективного экранирования излучения для конкретной отрасли.
Важным требованием, которому должны соответствовать полимерные композиции, предназначенные для изготовления конструкционных изделий для защиты от радиоактивных излучений, является высокая механическая прочность и стабильность свойств в широком интервале температур.
Описание исследования

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.

Результаты исследования

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».

 

Практическая значимость исследования
Лабораторные технологические регламенты получения композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида бора могут быть использованы для создания новых производств.
Создание защитных блоков для быстровозводимых конструкций с применением предлагаемого композиционного материала позволит значительно увеличить их радиационную устойчивость от воздействия быстрых и тепловых нейтронов. Быстровозводимые конструкции позволят в короткий срок обустраивать защитные убежища для людей и техники в случае ядерного заражения местности. Помимо этого, радиационно защитные блоки могут применяться для оборудования хранилища ядерных отходов, при оборудовании радиологических кабинетов, в центрах по исследованию ядерной энергии, на АЭС и атомных подводных лодках, а также в космонавтике.
Наноструктурированный карбид бора может иметь самостоятельную ценность для использования в качестве компонента высокотвердых материалов, а технология его получения, которая разрабатывается в рамках данного ПНИЭР, может послужить основой для создания отдельного производства.