Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Развитие ядерной энергетики, интенсивное применение радионуклидов и других источников ионизирующих излучений в различных отраслях народного хозяйства , науки , техники и медицины неразрывно связано с серьезной проблемой обеспечения радиационной безопасности с ограничением воздействия радиационного фактора на человека и объекты окружающей среды. В последние годы в мире возрос интерес к проектированию и созданию новых видов высокоэффективных радиационно-защитных материалов и изделий на их основе.
Используемые в настоящее время защитные материалы из тяжелого бетона, стали, свинца и другие либо очень дороги, либо мало эффективны. Кроме того, с 1995г. применение металлического свинца без дополнительных гигиенических покрытий в качестве радиационно-защитного экрана запрещено Санэпиднадзором РФ. В связи с этим возникла необходимость создания материалов, по своим радиационно-защитным характеристикам приближающимся к металлическому свинцу. Одним из путей решения этой проблемы является разработка высокоэффективных радиационно-защитных композиционных материалов, с тугоплавкими мегаллосиликатными наполнителями.
Работа выполнялась в соответствии с государственной научно-технической программой ГНТК РФ "Перспективные материалы на 1989-1994 г.г." от 10.02.89г., межвузовской НТП " Архитектура и строительство на 1993-1996г.г." (приказ Госкомвуза РФ N252 от 27.03.91г.), задания Госкомвуза РФ на разработку новых видов радиационно-защитных материалов (приказ N516 от ., Гранг-95).
Цепь и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось разработка научных основ технологии синтеза и исследование свойств композиционных материалов радиационно-защитного назначения с высокодисперсными тугоплавкими мегаллосиликатными наполнителями и эпоксидными связующими.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Теоретическое обоснование коллоидно-химического подхода к синтезу высокодисперсных гидрофобных металлоорганосиликатных порошков.
Разработка технологии получения радиационно-защитных композиционных материалов.
Моделирование структуры композитов, включая гетерогенные планарные сборки и определение физических параметров защитных экранов.
Теоретические и экспериментальные исследования влияния физико-химических условий формования композитов на их радиационно-защитные характеристики в широком энергетическом (0.01-1.3 МэВ) фотонном спектре.
Научная новизна. Установлены физико-химические особенности синтеза хромсиликоната свинца (ХСС) посредством золь-гельного процесса из свинец-, хромсодержащих водных растворов (РЬ(Ж)з) 2 и NajCrO^ и этилсиликоната натрия (ЭСН). Установлена возможность синтеза желе-зохромсиликоната свинца (Fe-XCC), обладающего способностью подавлять вторичное гамма-излучение путем модификации поверхности гематитового концентрата ионами кальция Са2+ в присутствии 1%-ного раствора ЭСН и последующеим осаждением ионов РЬ2+. Исследованы процессы поглощения, отражения и прохождения в композиционном материале при воздействии фотонного излучения. Установлено, что для КМ наблюдается незначительное увеличение энергетических фактора накопления РФН) и коэффициента пропускания - ЭКП (не более 8%) при малых значениях длин свободного пробега фотонного излучения (ДСП) и заметно возрастают при высоких величинах ДСП по сравнению с металлическими (РЬ, Ре)-экранами (до 20%). В пределах одного значения ДСП величина ЭФН для композита ЭКМ-80РЬ в среднем в 1.5 раза выше, а величина ЭКП в 2 раза выше для ДСП= 1 и резко возрастает при повышенных величинах ДСП в сравнении с композитом 3KM-75Fe и эта разница возрастает с увеличением ДСП и энергии фотонов. Выявлено, что величина альбедо для КМ незначительно возрастает (3-8 % ) по сравнению с соответствующими металлами (Pb, Fe) и в энергетическом спектре носит экстремальный характер; максимальные величины альбедо достигают для композитов ЭКМ-80РЬ и 3KM-75Fe соответственно при 0.1 и 0.5 МэВ.
Практическое значение. Разработаны литьевые и прессованные радиационно-защитные эпоксидные композиционные материалы (ЭКМ) с повышенными физико-химическими и механическими характеристиками. Выявлено, что основным механизмом взаимодействия эпоксидной матрицы и наполнителя является раскрытие эпоксикольца. Благодаря этому происходит увеличение гидроксильных групп в олигомере, которые при термообработке наполненных композитов способствуют реакции поликонденсации, что приводит к химической сшивке матрицы и наполнителя. Установлено, что в результате ультразвуковой обработки композиционной смеси (7=22 кГц) происходит увеличение числа парамагнитных центров, способствующих повышению химической активности компонентов. Разработаны составы эпоксидных литьевых и прессованных композитов наполненных ХСС и Fe-XCC. Установлено методом электронной микроскопии и ультразвукового импульсного контроля, что ненаполненная композиция имеет дефектность в структуре в виде пузырьков воздуха и раковин, которые образуются при протекании микроликвационных процессов. Введение наполнителей приводит к устранению этих недостатков. Установлено, что радиационно-защитные свойства КМ различных составов практически не зависят от типов высокоэнергетических (объемных и точечных) -у-источников. Для низкоэнергетических у-излучешш в рентгеновском диапазоне кратность ослабления К излучения для ОГИ при равных параметрах измерения превышает значение К для ТГИ на величину
5 фактора накопления, равного 2.2-10.72. Основные положения метода расчета и подбора составов использованы при составлении "Руководство по проектированию конструкций из радиационно-защитных материалов" на ФТФ ХГУ и "Рекомендации по подбору составов защитных материалов" использованы в Государственном научном центре - Физико-Энергетический институт ГНЦ-ФЭИ (г.Обнинск). Полученные ЭКМ промыш-ленно апробированы и используются в ВНИИ рентгенотехники Минздрава РФ (г.Москва), НПО "Дельта" Миноборонпрома РФ (г.Москва), ГНЦ-ФЭИ (г.Обнинск)., Курской АЭС.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на:
Международной конференции "Конструкции из композиционных материалов (Москва, !994г.); межотраслевой научной конференции "Композиционные материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергий" (Москва, 1995г.); отраслевой конференции "Проблемы конверсии оборонных производств" (Пенза, 1995г.); VI Международной конференции "Радиационные гетерогенные процессы" (Кемерово, 1995г.); Международной конференции по радиационной физике и химии (Томск, 1996г.); Международной конференции "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" (Белгород, 1993, 1995 г.г.).
Публикации, Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах. Получены 5 положительных решения ВНИИГПЭ на выдачу патентов РФ на изобретения и отмечены Грантом в области фундаментальных проблем архитектуры и строительных наук (ГНТК РФ 1995г.), а также отмечены Воронежским отделением Академии естественных наук (АЕН) Воронеж, 1996г..
Структура и объем работы. Диссертация содержит 160 страниц и включает 47 рисунков, 30 таблиц и 155 литературных источников. Диссертация состоит из введения , шести глав , общих выводов и 7 приложений на 30 страницах.
