БОРСОДЕРЖАЩИЙ НЕЙТРОНОЗАЩИТНЫЙ МАТЕРИАЛ
BORON-BASED NEUTRON-PROTECTIVE MATERIAL

Изобретение относится к области разработки теплостойкого неорганического борсодержащего материала, обладающего деформационной устойчивостью до 600°С, который может быть использован в народном хозяйстве и атомной промышленности. Сочетание высокой теплостойкости и способности бора поглощать тепловые нейтроны может быть востребовано при капсулировании радиоактивных отходов, а также в качестве защитных щитов, элементов одежды, удовлетворяющих требованиям охраны труда и в техногенных ситуациях.
4
Известен композиционный материал [RU 2278177], содержащий матрицу на основе металла или сплава и соединение бора в качестве наполнителя, при этом соединение бора содержит тетрагидро- или тетрагалогенборатный анион KatBX, где Kat - катион металла или ониевый катион, В - бор, X - водород или галоген, при этом содержание соединения бора в матрице составляет 15÷50 об.%.
К недостаткам материала относится то, что агрегатное состояние данной композиции не позволяет ее использование для нейтронной защиты.
Еще одним недостатком материала является относительно низкая его теплостойкость, обусловленная наличием в матрице композита наполнителя, способного разлагаться в присутствии алюминиевого или магниевого сплавов, которые в свою очередь проявляют каталитическую активность при повышенных температурах.
2
Известен также нейтронозащитный материал [SU 1809692], состоящий из нитрида бора, дополнительно содержащий бор (1÷10 мас. %) и оксид магния (1÷10,2 мас. %). Материал имеет достаточно высокую теплопроводность после облучения при 600°С и предел прочности на изгиб 4,8÷9,7 кг/мм.
2
К недостаткам материала относится многостадийность процесса получения вышеуказанного материала, сопровождающаяся высокими энергозатратами: перемешивание компонентов в течение 5 ч до получения однородной смеси, их формовку под давлением 300 кг/см, собственно отжиг в атмосфере азота под давлением 1000 атм, причем инициирование реакции горения проводят нагреваемой вольфрамовой спиралью.
Вторым существенным недостатком является сложность аппаратурного оформления процесса.
Наиболее близким техническим решением является нейтронозащитный материал [SU 1804228] (прототип), содержащий химически связанный бор и, по меньшей мере, один тугоплавкий оксид. Особенностью материала является наличие в нем бора в виде нитрида и полиборида магния при следующем соотношении компонентов, мас. %: полиборид магния 5÷25, тугоплавкий оксид 10,5÷30, нитрид бора - остальное.
Материал по прототипу обладает радиационно-термической стойкостью в интервале температур 100÷600°С, при температуре 600°С относительное изменение геометрических размеров материала после облучения минимально.
Недостатком материала по прототипу является то, что достижение радиационно-термической стойкости материала обусловлено использованием в составе нитрида бора, который в свою очередь представляет собой тугоплавкое соединение с температурой плавления 2700°С, использование которого в производстве нейтронозащитного материала требует высоких энергетических затрат.
Неудачным является и выбор полиборида магния для насыщения материала по бору. Уменьшение его содержания в материале ниже заявленного снижает термическую стойкость материала, а повышение делает материал хрупким.
Изобретение направлено на изыскание борсодержащего нейтронозащитного материала, обладающего высокими эксплуатационными характеристиками, получение которого не требует высоких энергозатрат и дополнительного оборудования.
0
2
2
n
3
2
10
10
3
2
10
10
Технический результат достигается тем, что предложен борсодержащий нейтронозащитный материал, характеризующийся деформационной устойчивостью ΔL/L=3,0÷7,5% при 600°С, который получают взаимодействием силиката натрия NaO(SiO) в водном растворе едкого натра с декагидро-клозодекаборатом триметиламмония (MeNH)BH, реакционный раствор кипятят до полного удаления триметиламина, образующегося в результате взаимодействия раствора едкого натра с (MeNH)BH, затем сушат, поднимая температуру вплоть до 300°С, получают материал, отвечающий брутто-формуле:
где n - характеристика исходного силиката натрия через силикатный модуль, который варьируется в пределах 2,5÷3,0;
m:k=7,0÷1,9,
при этом связывание декагидро-клозо-декаборатного аниона с атомами натрия как силиката натрия, так и едкого натра происходит за счет многоцентровых взаимодействий с образованием пространственных супрамолекулярных структур.
2
2
n
3
2
10
10
Соотношение m:k выбирают исходя из того, что при значениях выше 7,0 взаимодействие силиката натрия NaO(SiO) в водном растворе едкого натра с декагидро-клозо-декаборатом триметиламмония (MeNH)BH не приводит к многоцентровым взаимодействиям с образованием пространственных супрамолекулярных структур, а в случае m:k ниже 1,5 указанное взаимодействие проходит с дефицитом щелочи, необходимой для удаления триметиламмониевого катиона, присутствие которого, в свою очередь, снижает термическую стабильность материала.
Величину силикатного модуля выбирают исходя из того, что при значениях ниже 2,5 количество образующихся супрамолекулярных структур не достаточно для обеспечения жесткости материала, а при значениях свыше 3,0 наблюдается полимеризация жидкого стекла (ЖС) с образованием твердой фазы.
Полное удаление триметиламина на стадии кипячения контролируют по исчезновению в ИК-спектрах раствора полосы валентных колебаний NH-групп.
Температура сушки определяется условиями полного завершения процесса поликонденсации силиката натрия, которая зависит от соотношения исходных компонентов в материале и обычно не превышает 300°С. Завершению процесса поликонденсации соответствует отсутствие потери массы на кривых термо-гравиметрического анализа.
10
10
2
2
n
2-
Выбранные реагенты, их концентрации, растворители и соотношения обеспечивают образование гомогенных систем, в которых проходят реакции внедрения и поликонденсации, приводящие к образованию максимально однородных гелей, где молекулы аниона ВH  и фрагменты цепи жидкого стекла с силоксановыми связями распределены наиболее равномерно, что приводит к достижению технического результата. Выбор силиката натрия NaO(SiO) из ряда силикатов: кристаллогидраты олигомерных силикатов натрия; кристаллогидраты ортосиликатов натрия всех степеней замещения 4-х основной кремневой кислоты; поликремниевые производные силикатов натрия осуществлен из вышеприведенных соображений.
2
2
n
3
2
10
10
10
10
10
10
2-
2-
Сущность изобретения заключается в том, что при взаимодействии силиката натрия NaO(SiO) в водном растворе едкого натра (жидкое стекло) с декагидро-клозо-декаборатом триметиламмония (MeNH)BH наблюдается образование многоцентровых взаимодействий, формирующих пространственно-супрамолекулярные структуры. В состав материала входит термически устойчивая кластерная система - анион ВН . Благодаря многочисленным супрамолекулярным контактам, возникающим в структуре стекла, разрушение аниона ВН  не наблюдается вплоть до 600°С. Кроме того, содержание бора в продукте от 15 до 40 мас. % обеспечивает высокую способность материала к захвату тепловых нейтронов.
Второй особенностью вышеуказанного взаимодействия является то, что в процессе образования пространственно-супрамолекулярных структур участвуют атомы натрия как силиката натрия, так и едкого натра.
Достижение заявленного технического результата подтверждается следующим примером. Пример иллюстрирует, но не ограничивает предложенное техническое решение.
2
2
n
3
2
10
10
3
2
10
10
-1
Пример. В водном растворе едкого натра и силиката натрия NaO(SiO) (ЖС) на воздухе при комнатной температуре растворяли (MeNH)BH; соотношение ЖС: (MeNH)BH составило 60/40 мас. %. Раствор кипятили и контролировали удаление триметиламина по исчезновению в ИК-спектрах полосы валентных колебаний NH-групп при 3100 см, после чего раствор сушили до прекращения потери массы на кривых термо-гравиметрического анализа, поднимая температуру до 300°С.
3
2
10
10
Аналогичным образом получали материал при исходном соотношении ЖС: (MeNH)BH, равном 85:15, 70:30, 50:50, 40:60 и 26:74 мас. %.
Характеристики полученных материалов сведены в Таблицу: «Химические и термомеханические свойства нейтронозащитного борсодержащего материала»
Таблица.
Соотношения m:k в материале [Na<sub>2</sub>O(SiO<sub>2</sub>)<sub>n</sub>]<sub>m </sub>[Na<sub>2</sub>B<sub>10</sub>H<sub>10</sub>]<sub>k</sub>, при n=2,8
Исходное соотношение ЖС: (Me<sub>3</sub>NH)<sub>2</sub>B<sub>10</sub>H<sub>10</sub>
Содержание бора в материале мас. %
Деформационная устойчивость при различных температурах °С ΔL/L<sub>0</sub> (%)
200
300
400
500
600
15,7
85:15
7
3,0
10,7
11,9
13,0
образец разрушен
6,7
70:30
15
0,5
0,1
0,6
0,5
3,0
4,0
60:40
21
0,3
1,5
1,7
2,6
6,2
2,7
50:50
29
1,0
1,5
1,6
2,6
7,0
1,9
40:60
40
1,6
2,0
3,0
3,2
7,5
1,4
26:74
43
6,0
12,1
13,2
13,5
15,6
3
2
10
10
Как видно из представленной таблицы, технический результат не достигается за пределами заявленных соотношений m:k=7,0÷1,9, т.е. при исходных соотношениях ЖС: (MeNH)BH, равных 85:15 и 26:74 мас. %.
Изобретение позволяет получать борсодержащий нейтронозащитный материал, обладающий высокими эксплуатационными характеристиками, получение которого не требует высоких энергозатрат и дополнительного оборудования.