Космическое излучение оказывает огромное воздействие на космонавтов и на оборудование космических аппаратов. В космосе действуют различные виды излучения, от которых необходима защита. Такой защитой могут стать материалы, которые либо полностью поглощают ионизирующее излучение, либо значительно снижают их интенсивность [1, 2, 5, 9, 11].
Одним из видов космического излучения является вакуумный ультрафиолет (ВУФ). Он отличается от обычного ультрафиолета тем, что его длина волны очень мала от 10 до 200 нм. Также он интенсивно поглощается атмосферой, и распространяется только в вакуумированных камерах. Воздействию ВУФ почти не подвержены металлы, однако на полимеры он оказывает огромное негативное воздействие. Вследствие воздействия ВУФ на полимеры происходит фотохимические реакции на их поверхности, что разрушает поверхность материала и приводит к потере первоначальных свойств [3, 4, 26]. Для защиты от вакуумного ультрафиолета в полимеры вводят фотостойкие наполнители, получая тем самым полимерные композиты [16-18].
Корпускулярное ионизирующее излучение в космосе представлено альфа-излучением, электронным, протонным и нейтронным излучением. Для защиты от электронов в космосе применяют металлы с малой атомной массой, так как металлы с большой атомной массой создают тормозное гамма излучение. Используя программный комплекс Geant4, было смоделировано воздействие электронов на элементы с разной атомной массой [19]. Доказано, что легкие металлы и полимеры почти не подвержены образованию тормозного гамма-излучения по сравнению с металлами большой атомной массой [10, 14, 15, 28]. Поэтому перспективно направление по созданию полимерных композитов для защиты от электронного излучения в космосе.
Для защиты от нейтронного излучения лучше использовать материалы содержащие элементы с малой атомной массой, например водород, бор и др. Доказано, что введение гидридов металлов в композиты значительно повышает стойкость материалов для защиты от нейтронного излучения [6-8, 24, 27, 30].
Кроме ионизирующего излучения в космосе действуют и другие негативные факторы, которые дестабилизируют работу всего космического аппарата. Резкий перепад температуры от – 150 °С до + 150 °С, набегающий поток атомарных и молекулярных частиц – все это также нарушает функциональные свойства материалов. Самой распространенной частицей в космосе является атомарный кислород (около 90 %). Больше всего атомарный кислород оказывает негативное воздействие на полимеры: происходит унос материала с поверхности, причем в год до нескольких сотен мкм [12]. Для защиты полимеров от атомарного кислорода в космосе в них добавляют кремнийсодержащие структуры, которые создают прочную пленку на поверхности, тем самым защищая дальнейшую деградацию материала [20, 29].
Существуют различные приемы для синтеза радиационно-защитных и радиационно-стойких композитов [13, 21-23, 25, 31-32]. В данной работе рассмотрена возможность использования висмута и его оксидов для синтеза радиационно-защитных материалов, для использования в условиях космоса.
Цель исследования
Изучить влияние содержания оксида висмута на повышение радиационно-защитных свойств полимерного композита с целью создания новых материалов для космической отрасли.
Материал и методы исследования
В качестве полимерной матрицы в работе был использован фторопласт-4 (политет-рафторэтилен) ГОСТ 10007-80. Средняя плотность фторопласта 2200 кг/м3; предел прочности при сжатии 12 МПа, коэффициент теплопроводности: 0,25 Вт/м·К;
В качестве наполнителя использован оксид висмута (III) (модификация α-Bi2O3). Данный оксид висмута является полупроводником p-типа при температурах до 550-650 °С с плотностью 8900 кг/м3. В отличие от свинца и его соединений, оксид висмута не токсичен. Также атомы висмута обладают малым эффективным радиусом захвата тепловых нейтронов, за счет чего не поглощают их, и материал не приобретает радиоактивные свойства.
В качестве корпускулярного излучения в работе рассматривали облучение протонами. Источником протонов являлся циклотрон в НИИЯФ МГУ (г. Москва). Энергия пучка протонов в испытаниях составляла до 4,2 МэВ, температура поверхности образцов при этом не превышала 20 °С, а флюенс составлял – 4·1014 протон/см2.
Результаты исследования и их обсуждение
Авторами разработаны составы полимерных композитов, содержащие от 50 до 80 % наполнителя по массе. Плотность композитов с различным содержанием наполнителя представлена в табл. 1.
Таблица 1
Плотность композитов с различным содержанием наполнителя
|
№ Состава |
Содержание наполнителя, % по массе |
Плотность композита, кг/м3 |
|
1 |
50 |
3400 |
|
2 |
60 |
4050 |
|
3 |
70 |
4440 |
|
4 |
80 |
4750 |
Анализ таблицы показывает, что плотность композита линейно увеличивается при увеличении содержания наполнителя, так как наполнитель имеет значительно большую плотность (8900 кг/м3) по сравнению с фторопластовой матрицей (2200 кг/м3). При создании радиационно-защитных композитов увеличение плотности упаковки ведет к повышению защитных характеристик готовых изделий.
Оптимальный состав композита выбирали на основании значений модуля упругости. Модуль продольной упругости композитов рассчитывали по скорости распространения ультразвука в исследуемом материале по следующей формуле:
(1)
где ρ – плотность, Е – модуль продольной упругости (модуль Юнга), Vзв – скорость звука при прохождении через материал.
На рисунке представлена зависимость модуля продольной упругости от содержания наполнителя в композите.
Как видно из рисунка вначале при увеличении содержания наполнителя в композите происходит увеличение модуля продольной упругости, затем оно достигает своего пика и резко начинает снижаться. Наличие пика говорит о максимально возможном наполнении композита, после которого прочность и все остальные физико-механические характеристики сильно падают. Таким образом, оптимальным является состав материала, который содержит в себе 50 % наполнителя – оксида висмута и 50 % матрицы – фторопласта.
Для исследования защитных свойств разработанного материала он был подвергнут протонному облучению. Были вырезаны образцы оптимального состава с площадью поверхности 1 см2 и толщиной 2 мм. Их устанавливали на пути протонного пучка, перпендикулярно падающего на плоскую поверхность композита. Энергия протонов варьировалась от 1 до 4,2 МэВ. В табл. 2 представлены данные по глубине проникновения протонов в композите в зависимости от энергии протонного излучения.
Таблица 2
Глубина проникновения протонов в композите
|
№ п/п |
Энергия протонов, МэВ |
Глубина проникновения, мм |
|
1 |
1 |
0,02 |
|
2 |
2 |
0,06 |
|
3 |
3 |
0,11 |
|
4 |
4 |
0,18 |
|
5 |
4,2 |
0,19 |
В исследуемом энергетическом интервале (от 1 до 4,2 МэВ) экспериментально полученная зависимость пробега протонов имеет линейную зависимость, где длина пробега протона в композите оптимального состава прямо пропорциональна его энергии (табл. 2).
Кривая зависимости модуля продольной упругости от содержания наполнителя в композите
Заключение
В работе рассмотрена возможность синтеза полимерных композитов на основе фторопластовой матрицы и оксида висмута. Представлена плотность композитов с различным содержанием наполнителя (от 50 до 80 % по массе). Построена кривая значений модуля упругости композита от содержания наполнителя и на основании этой зависимости выбран оптимальный состав композита. Оптимальным является состав материала, который содержит в себе 50 % наполнителя – оксида висмута и 50 % матрицы – фтороплата. Для исследования защитных свойств разработанного материала он был подвергнут протонному облучению. Энергия протонов варьировалась от 1 до 4,2 МэВ. Глубина проникновения протонов в композите во всем рассматриваемом энергетическом диапазоне не превышает 0,2 мм, что говорит о высоких радиационно-защитных свойствах разработанного композита.
Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K.