КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ
COMPOSITE MATERIAL FOR RADIATION SHIELDING

Изобретение относится к материалам для защиты от ионизирующих излучений в атомной, радиохимической промышленности, военно-морском флоте, авиакосмической промышленности, обслуживающего персонала и окружающей среды.
7
Известен композиционный материал, содержащий матрицу из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний или их сплавы и 20-80 об.% упрочнителя, выполненного в виде армирующих нановолокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода (Патент РФ №2374355, МПК С22С 49/14, В82В 1/00. Композиционный материал. / В.А.Жабрев, В.Н.Горбачев, М.Э.Лиснянски. - заявка №2008144225/02; заявл. 01.11.2008; опубл. 27.11.2009. БИПМ №33).
Недостатком композиционного материала является его низкие радиационно-защитные характеристики по отношению к высокоэнергетическому гамма-излучению.
7
Наиболее близким, принятым за прототип, по технической сущности к заявляемому изобретению является композиционный материал для радиационной защиты, включающий операцию по введению в армирующие матрицы тонкодисперсного железосодержащего наполнителя, отличающийся тем, что в качестве армирующего используют металлический алюминий, а наполнителя - механоактивированный высокодисперсный железосодержащий гематитовый концентрат с размером частиц до 5 мкм при следующем соотношении компонентов (мас.%): алюминий металлический 20-60, гематитовый концентрат 40-80 (Заявка на изобретение РФ №2001119709/06 (020835), МПК G21F 1/10. Композиционный материал для радиационной защиты. / О.А.Маракин, В.И.Павленко, И.И.Кирияк, А.А.Лысенко, П.В.Матюхин. - заявка №2001119709/06; заявл. 16.07.2001; опубл. 20.02.2002. БИПМ №5).
К недостаткам известного композиционного материала для радиационной защиты относятся его низкая механическая прочность, что определяет материал как неспособный нести конструкционные нагрузки. Это объясняется недостаточной совместимостью механоактивированного высокодисперсного железосодержащего гематитового концентрата с металлическим алюминием.
Целью изобретения является повышение механической прочности композиционного материала для радиационной защиты.
Поставленная цель достигается тем, что композиционный материал для радиационной защиты содержит в качестве составляющих компонентов высокодисперсный активировано-модифицированный гематит (наполнитель) с размером частиц до 80 мкм и металлический алюминий (матрица) при следующем отношении компонентов, мас.%:
Алюминий металлический
61-85
Высокодисперсный активировано-модифицированный
гематит
15-39
3
В качестве матрицы используется металлический алюминий плотностью 2700 кг/м с содержанием основного элемента А1 не менее 99,95%.
3
В качестве наполнителя используется высокодисперсный гематитовый концентрат Яковлевского месторождения КМА с плотностью 4860 кг/мфракции до 80 мкм, в том числе фракции до 5 мкм в количестве до 25 мас.%, имеющий следующий химический (табл.1) и минеральный состав (табл.2):
Таблица 1
Химический состав гематитового железорудного концентрата Яковлевского месторождения КМА (мас.%)
Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
FeO
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
K<sub>2</sub>О
Na<sub>2</sub>O
66,62
28,15
4,41
0,17
0,16
0,29
0,09
0,11
Таблица 2
Минеральный состав гематитового железорудного концентрата Яковлевского месторождения КМА (мас.%)
Гематит
Магнетит
Силикаты
Кварц
Карбонаты
93,5
3,3
0,5
2,5
0,2
3+
3
2
3
2
Активирование наполнителя достигается путем гидроксилирования поверхности его частиц с помощью одноименных с дисперсной фазой ионов Fe адсорбированных из водного раствора хлорида железа (FeCl·6Н0). Модифицирование активированного наполнителя достигается адсорбцией ионов алюминия на поверхности его частиц из водного раствора хлорида алюминия (AlCl·6Н0) за счет сил электростатического взаимодействия с заряженными активными центрами частиц и ион-дипольного взаимодействия с кислородом гидроксильных групп поверхности активированных частиц наполнителя. В результате процесса модифицирования происходит привитие на поверхности частиц активированного наполнителя микрослоя алюминиевой оболочки в виде оксида алюминия. В данной композиции обеспечивается смачивание модифицированного гематита расплавом алюминия и его повышенное адгезионное взаимодействие с наполнителем.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав композиционного материала для радиационной защиты отличается от известного введением нового компонента, а именно: высокодисперсного активировано-модифицированного гематита. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».
Количественное содержание компонентов предлагаемого и известного материалов приведено в табл.3.
Таблица 3
Составы материалов
Компонент
Содержание, мас.%
Предлагаемый материал
Известный материал (прототип)
1
2
3
4
5
Гематит
15
50
70
75
80
60
Алюминий металлический
85
50
30
25
20
40
Анализ прототипа показал, что введенные в заявляемое решение вещества, такие как металлический алюминий и гематитовый концентрат, известны. Композиционный материал на основе таких компонентов не обладает невысокими показателями механической прочности, какими обладает композиционный материал для радиационной защиты на основе компонентов, представленных в заявляемом решении (табл.4), а именно: на 33,5% повышается предел прочности на сжатие, на 39,5% повышается предел прочности на изгиб, на 19,5% повышается предел прочности на растяжение. Таким образом, заявляемый состав компонентов придает композиционному материалу для радиационной защиты новые, более высокие показатели механической прочности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «существенные отличия».
Таблица 4
Свойства композиционного материала для радиационной защиты
Показатель
Содержание, мас.%
Предлагаемый материал
Известный материал (прототип)
1
2
3
4
5
Предел прочности на сжатие, МПа
94
493
710
341
87
472
Предел прочности на изгиб,
45
168
263
79
32
159
МПа
Предел прочности на
61
164
195
102
40
157
растяжение, МПа
Линейный коэффициент
ослабления (µ) гамма-
излучения, см<sup>-1</sup>:
Е=0,66 МэВ (<sup>137</sup>Cs)
0.17
0.25
0.37
0.44
0.51
0.35
Е=1,22 МэВ (<sup>60</sup>Со)
0.10
0.15
0.17
0.19
0.20
0.16
Использование высокодисперсного активировано-модифицированного гематита с размером частиц более 80 мкм приводит к возрастанию пористости композиционного материала для радиационной защиты, что приводит к значительному снижению его механической прочности.
60
19
Заявляемый композиционный материал может быть использован в качестве радиационно-защитного материала, работающего при температурах до 550°С и внешних нагрузках до 710 МПа, способного обеспечить биологическую защиту от гамма-излучения с энергией до 1,2 МэВ (Со) и поглощенной дозой до 10 Гр.