Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОКСИДОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ СИНТЕЗА РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ястребинский Р.Н. 1 Матюхин П.В. 1 Самойлова Ю.М. 1
1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Проведен анализ ионизирующего излучения, оказывающего отрицательное воздействие на человека. Проанализированы способы и методы защиты человека от радиации. Представлены материалы, применяемые для радиационно-защитного материаловедения. Особое внимание уделено разработке современных композиционных материалов на основе металлической матрицы и прочных металлических или органических наполнителей. В данной работе представлено исследование по возможности использования оксида железа (Fe2O3) для синтеза радиационно-защитных материалов. В качестве материалов при разработке нового вида радиационно-защитного металлокомпозита использовали в качестве матрицы – дюралюминия (дюраль) марки Д16Т, а в качестве наполнителя – оксид железа III (Fe2O3). Были исследованы физико-механические свойства композита в зависимости от содержания наполнителя. Содержание наполнителя варьировалось от 0 до 100 %. Установлен оптимальный состав композита. Анализ радиационно-защитных свойств образцов разработанного композита по отношению к гамма – излучению выполнен на гамма – установке УПГД-2. Источником гамма-излучения являлся 137Cs и 60Co.
композит
гамма-излучение
радиационная защита
наполнитель
линейный коэффициент ослабления
1. Матюхин П.В. Жаропрочный радиационно-защитный композиционный материал конструкционного назначения / П.В. Матюхин, В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина, В.А. Дороганов, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 10. – С. 32–36.
2. Матюхин П.В. Термостойкие радиационно-защитные композиционные материалы, эксплуатируемые при высоких температурах / П.В. Матюхин, В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, В.А. Дороганов, Н.И. Черкашина, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 7-8. – С. 23–25.
3. Павленко В.И. Влияние вакуумного ультрафиолета на микро- и наноструктуру поверхности модифицированных полистирольных композитов / В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Перспективные материалы. – 2013. – № 3. – С. 14–19.
4. Павленко В.И. Влияние вакуумного ультрафиолета на поверхностные свойства высоконаполненных композитов / В.И. Павленко, В.Т. Заболотный, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Физика и химия обработки материалов. – 2013. – № 2. – С. 19–24.
5. Павленко В.И. Влияние содержания кремнийорганического наполнителя на физико-механические и поверхностные свойства полимерных композитов / В.И. Павленко, Н.И. Черкашина, В.В. Сухорослова, Ю.М. Бондаренко // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – С. 95.
6. Павленко В.И. Дефектность кристаллов модифицированного гидрида титана, подвергнутого термической обработке /В.И. Павленко, О.В. Куприева, Н.И. Черкашина, Р.Н. Ястребинский // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2015. – Т. 58. № 5. – С. 125–129.
7. Павленко В.И. Изучение коэффициентов ослабления фотонного и нейтронного пучков при прохождении через гидрид титана / В.И. Павленко, О.Д. Едаменко, Н.И. Черкашина, О.В. Куприева, А.В. Носков // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2015. – № 6. – С. 21.
8. Павленко В.И. Модифицирование поверхности гидрида титана боросиликатом натрия / В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, О.В. Куприева, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2014. – № 6. – С. 19–24.
9. Павленко В.И. Радиационно-защитный композиционный материал на основе полистирольной матрицы / В.И. Павленко, О.Д. Едаменко, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 3. – С. 113–116.
10. Павленко В.И. Расчет ионизационных и радиационных энергетических потерь быстрых электронов в полистирольном композите / В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2015. – № 8. – С. 5–11.
11. Павленко В.И. Повышение эффективности антикоррозионной обработки ядерного энергетического оборудования путем пассивации в алюминийсодержащих растворах / В.И. Павленко, В.В. Прозоров, Л.Л. Лебедев, Ю.И. Слепоконь, Н.И. Черкашина // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2013. – Т. 56. № 4. – С. 67–70.
12. Павленко В.И. Экспериментальное и физико-математическое моделирование воздействия набегающего потока атомарного кислорода на высоконаполненные полимерные композиты / В.И. Павленко, Л.С. Новиков, Г.Г. Бондаренко, В.Н. Черник, А.И. Гайдар, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Перспективные материалы. – 2012. – № 4. – С. 92–98.
13. Павленко В.И. Эффективный способ получения термостойкого кристаллического нанопорошка вольфрамата свинца для жаростойких радиационно-защитных материалов / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, В.А. Дороганов, И.В. Соколенко, Н.И. Черкашина, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 7-8. – С. 32–36.
14. Павленко В.И. Явления электризации диэлектрического полимерного композита под действием потока высокоэнергетических протонов / В.И. Павленко, А.И. Акишин, О.Д. Едаменко, Р.Н. Ястребинский, Д.Г. Тарасов, Н.И. Черкашина // Известия Самарского научного центра РАН. – 2010. – Т. 12. № 4-3. – С. 677–681.
15. Павленко В.И. Суммарные потери энергии релятивистского электрона при прохождении через полимерный композиционный материал / Павленко В.И., Едаменко О.Д., Черкашина Н.И., Носков А.В. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2014. – № 4. – С. 101–106.
16. Черкашина Н.И. Воздействие вакуумного ультрафиолета и кислородной плазмы на структуру и устойчивость полистирольного композита с органосилоксановым наполнителем: диссертация ... кандидата технических наук. – Белгород, 2013.
17. Черкашина Н.И. Исследование влияния вакуумного ультрафиолета на морфологию поверхности нанонаполненных полимерных композиционных материалов в условиях, приближённых к условиям околоземного космического пространства / Черкашина Н.И., Павленко В.И., Едаменко А.С., Матюхин П.В. // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – С. 130.
18. Черкашина Н.И. Воздействие вакуумного ультрафиолета на полимерные нанокомпозиты // Инновационные материалы и технологии (ХХ научные чтения): Материалы Межд. научно-практич. конференции. – 2010. – С. 246–249.
19. Черкашина Н.И. Моделирование воздействия космического излучения на полимерные композиты с применением программного комплекса GEANT4 // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3. – С. 122.
20. Черкашина Н.И. Перспективы создания радиационно-защитных полимерных композитов для космической техники в Белгородской области / Н.И. Черкашина Н.И., В.И. Павленко / Белгородская область: прошлое, настоящее, будущее. Материалы областной научно-практической конференции в 3-х частях. – 2011. – С. 192–196.
21. Черкашина Н.И. Разработка наноструктурированных вяжущих на основе местного сырья Белгородской области для штукатурных растворов // В сборнике: Материалы I Международной научно-практической конференции «Проблемы строительного производства и управления недвижимостью». – Кемерово, 2010. – С. 67–70.
22. Черкашина Н.И. Синтез высокодисперсного гидрофобного наполнителя для полимерных матриц / Н.И. Черкашина, А.А. Карнаухов, А.В. Бурков, В.В. Сухорослова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 6. – С. 156–159.
23. Ястребинский Р.Н. Модифицированные железооксидные системы – эффективные сорбенты радионуклидов / Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, А.В. Ястребинская, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2013. – № 5. – С. 39–43.
24. Ястребинский Р.Н. Структурно-фазовая характеристика боросиликатного покрытия // Р.Н. Ястребинский, О.В. Куприева, Н.И. Черкашина // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2014. – Т. 57. № 9. – С. 20–23.
25. Matyukhin P.V. The high-energy radiation effect on the modified iron-containing composite material / P.V. Matyukhin, V.I Pavlenko, R.N. Yastrebinsky, N.I. Cherkashina // Middle East Journal of Scientific Research. – 2013. – Т. 17. № 9. – С. 1343–1349.
26. Pavlenko V.I. Effect of vacuum ultraviolet on the surface properties of high-filled polymer composites / V.I. Pavlenko, N.I. Cherkashina, O.D. Edamenko, V.T. Zabolotny // Inorganic Materials: Applied Research. – 2014. – Т. 5. № 3. – С. 219–223.
27. Pavlenko V.I. Modification of titanium hydride surface with sodium borosilicate / V.I. Pavlenko, O.V. Kuprieva, R.N. Yastrebinskii,N.I. Cherkashina, G.G. Bondarenko/ Inorganic Materials: Applied Research. – 2014. – Т. 5. № 5. – С. 494–497.
28. Pavlenko V.I. Total energy losses of relativistic electrons passing through a polymer composite / V.I. Pavlenko, O.D. Edamenko, N.I. Cherkashina, A.V. Noskov // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2014. – Т. 8. № 2. – С. 398–403.
29. Pavlenko V.I. Using the high-dispersity [alpha]-Al2O3 as a filler for polymer matrices, resistant against the atomic oxygen / V.I. Pavlenko, N.I. Cherkashina, A.V. Yastrebinskaya, P.V. Matyukhin.,O.V. Kuprieva // World Applied Sciences Journal. – 2013. – Т. 25. № 12. – С. 1740–1746.
30. Pavlenko V.I. Study of the attenuation coefficients of photon and neutron beams passing through titanium hydride / V.I. Pavlenko, O.D. Edamenko, N.I. Cherkashina, O.V .Kuprieva, A.V. Noskov // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2015. – Т. 9. № 3. – С. 546–549.
31. Slyusar’ O.A. Effect of additives on dispersed system structure formation / O.A. Slyusar’, R.N. Yastrebinskii, N.I. Cherkashina, V.A. Doroganov, A.V. Yastrebinskaya // Refractories and Industrial Ceramics. – 2015.
32. Yastrebinsky R.N. Modifying the surface of iron-oxide minerals with organic and inorganic modifiers/ R.N. Yastrebinsky, V.I. Pavlenko, P.V. Matukhin, N.I. Cherkashina, O.V. Kuprieva // Middle East Journal of Scientific Research. – 2013. – Т. 18. № 10. – С. 1455–1462.

Всесторонне развитие атомной энергетики, в том числе аварии, происходящие на АЭС, требует защиты персонала, а также населения, не занятого непосредственно в атомной промышленности. С каждым годом ужесточаются нормы радиационной безопасности, выполнение которых находится под жестким контролем государства. Полеты в космосе и нахождение там продолжительное время возможно только в условиях полной защиты человека от радиации. Широкое распространение ионизирующего излучения в медицине может быть, возможно, только при полной защите медицинского персонала от вредных воздействий радиации.

Известно, что для снижения уровней радиационного воздействия до разрешенных (нормативных) значений требуются специальные радиационно-защитные материалы. В настоящее время известно несколько видов ионизирующих излучения: α-, β-, γ-излучения, нейтронное излучение, космическое и др. В каждом случае защита от излучения различна. Например, для защиты от нейтронного излучения лучше применять водородсодержащие материалы. В работах [6, 7, 30] представлены способы синтеза радиационно-защитного материала на основе дроби гидрида титана. Авторами описано, что при модифицировании гидрида титана можно повысить температуру эксплуатации материалов на его основе, что значительно может повлиять на его использование в атомной промышленности [8, 24, 27], где температурных диапазон эксплуатации может достигать 700 °С в аварийном случае.

В космосе на низких околоземных орбитах преимущественно действует вакуумный ультрафиолет, от которого сильно страдают полимерные материалы. Однако, применение фотостойких наполнителей может увеличить стойкость полимерных композитов к данному виду излучения [3, 4, 16-18, 26]. Для защиты от атомарного кислорода, который повреждает внешнюю структуру наружных материалов в космосе, особенно полимерных, применяют наполнители на основе кремнийсодержащих материалов [12, 20, 29]. Для защиты от электронного облучения лучше применять элементы с малой атомной массой, так как при облучении тяжелых металлов может образоваться вторичное гамма-излучение, которое гораздо более опасно [10, 14, 15, 19, 28].

Для защиты от γ-излучения применяют органические и неорганические радиационно-защитные материалы и смеси, состоящие из одного и более компонентов [2, 5, 9, 21, 22, 31]. Чаще всего они должны обладать высокими физико-механическими характеристиками, так как они используются в качестве несущих конструкций. Широкое применение в настоящее время получили радиационно-защитные материалы на основе тяжелого бетона. Однако, они имеют ряд недостатков: большие габаритные размеры, большая масса, высокая себестоимость (которая складывается из-за содержания дорогостоящих компонентов).

Также сильным недостатком радиационно-защитных конструкций из тяжелого бетона является его низкая теплопроводность и выделение связанной цементом воды при температуре выше 100 °C, что приводит к ухудшению первоначальных радиационно-защитных свойств бетона, или к его полному разрушению.

В связи с вышеперечисленным, в настоящее время активно разрабатываются современные композиционные материалы на основе металлической матрицы и прочных металлических или органических наполнителей. Данные материалы получили название металлокомпозиционные. Они состоят из металлической матрицы (дюральалюминиевая, хромовая, медная и др.) и армирующих компонентов естественного и искусственного происхождения (граниты, базальты, известняки, доломиты, кварциты, мрамор, металлургические и топливные шлаки, золы, керамзит, железооксидные системы и др.) [1, 11, 13, 23, 25, 32].

В данной работе представлено исследование по возможности использования оксида железа (Fe2O3) для синтеза радиационно-защитных материалов.

Цель исследования

Изучить влияние оксида тяжелого металла (оксида железа III) на повышение радиационно-защитных свойств металлокомпозиционного материала с целью создания новых композитов для атомной промышленности.

Материалы и методы исследования

В качестве материалов при разработке нового вида радиационно-защитного металлокомпозита использовали в качестве матрицы – дюралюминия (дюраль) марки Д16Т, а в качестве наполнителя – оксид железа III (Fe2O3). Все составляющие компоненты разрабатываемого материала не проявляют токсичных свойств, поэтому и композит на их основе будет экологически чист. Минералогический состав наполнителя представлен в табл. 1.

Таблица 1

Минералогический состав оксида железа ( % масс.)

Гематит

Магнетит

Кварц

Силикаты

Карбонаты

93,5

3,3

2,5

0,5

0,2

Анализ табл. 1 показывает, что наполнитель оксид железа III (Fe2O3) представлен в основном гематитовой фазой (93,5 %).

Анализ радиационно-защитных свойств образцов разработанного композита по отношению к гамма – излучению выполнен на гамма – установке УПГД-2. Источник гамма-излучения по 137Cs с МЭД 2520 мкР/ч на расстоянии 1 м (погрешность 6 % при доверительной вероятности 0,95). Источник гамма-излучения по 60Co с МЭД 1620 мкР/ч на расстоянии 1 м (погрешность 6 % при доверительной вероятности 0,95).

Результаты исследования и их обсуждение

Авторами были разработана технология синтеза композитов на основе дюралюминия и оксида железа. Были исследованы физико-механические свойства композита в зависимости от содержания наполнителя. Содержание наполнителя варьировалось от 0 до 100 %. На рисунке представлена кривая зависимости предела прочности при сжатии материала от содержания оксида железа. Пик прочности приходится на 60 % содержание наполнителя, а затем она сильно снижается. На основании рисунка можно предположить, что оптимальным является состав, содержащий в себе 60 % оксида железа. Плотность оптимального состава 4,26 г/см3.

jstrebins1.wmf

Кривая зависимости предела прочности при сжатии материала от содержания наполнителя

В табл. 2 приведены коэффициенты ослабления гамма-излучения от точечных источников 137Cs (661 кэВ)и 60Со (1172 кэВ) в композите оптимального состава (60 % наполнителя), полученные экспериментальным путем.

Таблица 2

Коэффициенты ослабления гамма-излучения в разработанном радиационно-защитном композите

Источник

Энергия, кэВ

Экспериментальные значения

µмассовый/ρ, см2/г

µлинейный, см-1

137Cs

661

0,074

0,318

60Со

1172

0, 029

0,126

Заключение

Авторами рассмотрена возможность синтеза металлокомпозиционных материалов на основе дюралюминия (дюраль) марки Д16Т и наполнителя – оксида железа III (Fe2O3). В работе исследованы физико-механические свойства композита в зависимости от содержания наполнителя. Установлено, что оптимальным является состав, содержащий в себе 60 % оксида железа. Измеренная плотность оптимального состава 4,26 г/см3. Анализ приведенных коэффициентов ослабления гамма-излучения от точечных источников 137Cs (661 кэВ)и 60Со (1172 кэВ) в композите оптимального состава (60 % наполнителя), полученные экспериментальным путем, показал высокую радиационную защиту материала к данному виду излучения.

Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K.


Библиографическая ссылка

Ястребинский Р.Н., Матюхин П.В., Самойлова Ю.М. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОКСИДОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ СИНТЕЗА РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-7. – С. 1199-1202;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=8115 (дата обращения: 22.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074