Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Ястребинский Р.Н. 1 Самойлова Ю.М. 1 Павленко В.И. 1 Демченко О.В. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Проведен анализ материалов применяемых в атомной и космической промышленности. Показано, что полимерные материалы по сравнению с металлами обладают малой массой и являются более доступным сырьевым материалом. Однако, под воздействием космического излучения они более подвержены деструкции, нежели чем металлы, зато металлы под воздействием электронного облучения создают вторичное гамма-излучения, а для полимеров такой проблемы не существует. Поэтому в данной работе представлено исследование по синтезу композитов на основе полимерной матрицы и металлического наполнителя. В качестве матрицы использовали полиэтилен низкого давления, а в качестве наполнителя – высокодисперсный оксид алюминия, получаемый по золь-гель технологии. Для совместимости наполнителя с матрицей его модифицировали кремнийорганическим соединением. Установлено, что композит, содержащий в себе 70 % наполнителя обладает высокой стойкостью к факторами, имитирующим космическое пространство. Потеря массы композита после воздействия вакуумного ультрафиолета не превысила 1 %, что согласуется с нормативными документами по изделиям космической техники.

Статья в формате PDF

2585 KB

высокодисперсный

оксид алюминия

полистирол

композит

вакуумный ультрафиолет

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. – Р. 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. – Р. 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. – Р. 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. – Р. 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. – Р. 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. – Р. 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. – Р. 1455–1462.

В настоящее время развитие атомной энергетики идет огромным темпом. Рост потребности в энергии при ограниченных ресурсах и плохой экологии в мире делает актуальной проблемой развития новых технологий, направленных на управление ядерными технологиями. В тоже время активно развивается направление по разработке новых радиационно-стойких материалов ядерной энергетики. Под влиянием ионизирующего излучения на материалы происходят структурные изменения в них – радиационные дефекты, которые ухудшают работоспособность материалов, или полностью их разрушают [1, 6, 7, 11, 13, 24, 27, 30].

Особенно сложно разрабатывать радиационно-защитные материалы, которые планируется использовать в космосе. Кроме ионизирующего излучения в космосе действует ряд негативных факторов, которые выводят из стоя различные элементы космического корабля, нарушая его работоспособность. Поэтому перспективным является направление по разработке радиационно-стойких и радиационно-защитных материалов, которые могут найти свое применение в космической промышленности.

В последнее время много внимания уделяется разработке полимерных материалов, используемых в космическом пространстве. Как известно, полимерные материалы по сравнению с металлами обладают малой массой и являются более доступным сырьевым материалом. Однако, под воздействием космического излучения они более подвержены деструкции, нежели чем металлы, зато металлы под воздействием электронного облучения создают вторичное гамма-излучения, а для полимеров такой проблемы не существует [10, 14, 15, 19, 28]. Поэтому создание композитов на основе полимерной матрицы и металлического наполнителя позволит создавать новые материалы, обладающими совершенно новыми уникальными свойствами. Кроме того варьируя количество наполнителя создается возможность управлять функциональными свойствами разработанного композита [2, 5, 8, 9, 20, 22, 23, 25, 31, 32]. Известны способы синтеза полимерных композитов, которые позволили создать материалы стойкие к самому негативному фактору космоса, влияющего именно на полимеры – атомарному кислороду [12]. Применение кремнийорганических наполнителей позволяет создавать материалы устойчивые к вакуумному ультрафиолету [3, 4, 17, 16, 18, 26].

Металлические наполнители, используемые для синтеза полимерных композитов, могут быть различного химического состава – это металлы, их оксиды или соли. Размер наполнителя в данном случае играет сильную роль. Применение высокодисперсных частиц позволяет получить материалы с совершенно другими электрофизическими и физико-механическими свойствами [21, 29].

В данной работе представлены данные по разработке технологии получения радиационно-стойких полимерных композитов на основе полимерной матрицы и модифицированного высокодисперсного порошка оксида алюминия.

Цель исследования

Изучить возможность создания радиационно-стойких полимерных композитов на основе полимерной матрицы и модифицированного высокодисперсного порошка оксида алюминия для возможности использования их в условиях космоса.

Материалы и методы исследования

Синтез высокодисперсного порошка оксида алюминия проводили по золь-гель технологии. Исходным реагентом был хлорид алюминия марки А-1 (бесцветные кристаллы с размером частиц мене 1 мм).

В качестве матрицы использовали полиэтилен низкого давления (ПНД). Полиэтилен низкого давления характеризуется хорошей ударной прочностью и большей теплостойкостью по сравнению с полиэтиленом высокого давления. Кроме того, он обладает отличными диэлектрическими характеристиками, что необходимо в условиях космоса.

Облучение синтезированных композитов проводили в специализированной установке, имитирующей околоземное космическое пространство: вакуум (давление не более 10-3 Па); температура – 150 °С до + 150 °С, ионизирующее излучение (вакуумный ультрафиолет с длиной волны λ = 90…115 нм, интенсивность 0,5 Вт/м²) (рис. 1).

Рис. 1. Схема специализированной установки, имитирующей условия околоземного космического пространства

Результаты исследования и их обсуждение

Синтез высокодисперсного порошка оксида алюминия проводился в несколько этапов:

I. Растворение хлорида алюминия в водном растворе:

AlCl₃ + H₂O→[Al(OH₂)₆]³⁺

II. Получение белого осадка гидроксида алюминия, обладающего аморфной структурой:

[Al(OH₂)₆]³⁺ + ОН– = [Al(ОН)(OH₂)₅]²⁺ + Н₂О

[Al(ОН)(OH₂)₅]²⁺ + ОН– = [Al(ОН)₂(OH₂)₄]⁺ + Н₂О

[Al(ОН)₂(OH₂)₄]⁺ + ОН– = [Al(ОН)₃(OH₂)₃]⁰ + Н₂О

[Al(OH₂)₆] ³⁺+3 ОН– = Al(OH)3↓

III. Получение оксида алюминия нагреванием его гидроксида:

Al(OH)₃ (t > 1000 °C) → Al₂O₃

Полученный порошок представлял собой высокодисперсный порошок белого цвета с плотностью 3,9 г/см³. Для совместимости металлического порошка с полимерной матрицей с его модифицировали кремнийорганическим соединением – ГКЖ-11 (гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость), которое придало оксиду алюминия гидрофобные свойства. Модифицирование наполнителя позволило ему равномерно распределиться в матрице, не создавая конгломератов.

Далее методом горячего прессования были получены образцы полимерных композитов с 70 % содержанием модифицированного наполнителя. Полученные образцы композитов подверглись облучению вакуумному ультрафиолету в течении 24 часов при обычной (комнатной) температуре 20 °С и при повышенной 125 °С. После каждых 3-х часов обработки в камере проверяли потерю массы. Зависимость потери массы полученного материала от времени выдержки представлено на рис. 2.

Зависимость потери массы синтезированного композита в процессе облучения приобретает пологий характер и как видно из рис. 1 кинетические кривые потери массы с ростом времени все более замедляются, а к 15 часам композиты при всех видах воздействия практически прекращают терять вещество.

Для изделий космической техники рекомендуется применять полимерные материалы, которые имеют общую потерю массы при воздействии ВУФ не более 1 % в течение 24 часов согласно ГОСТ Р 25645.338–96. Потеря массы для всех исследованных материалов не превысила допустимого предела при обычной температуре 20 °С и составила 0,45 мас. %, а также при повышенной температуре 125 °С – 0,78 мас. %. Это говорит об устойчивости разработанного полимерного композита к агрессивным воздействиям космоса.

Заключение

Авторами рассмотрена возможность синтеза полимерных композитов на основе полиэтилена низкого давления и высокодисперсного металлического порошка оксида алюминия. Представлен синтез высокодисперсного оксида алюминия по золь-гель технологии. Представлена возможность модифицирования оксида алюминия кремнийорганическим соединением – ГКЖ-11 (гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость). Модифицирование наполнителя позволило ему равномерно распределиться в матрице, не создавая конгломератов. Установлено, что композит, содержащий в себе 70 % наполнителя обладает высокой стойкостью к факторами, имитирующим космическое пространство. Потеря массы композита после воздействия вакуумного ультрафиолета не превысила 1 % , что согласуется с нормативными документами по изделиям космической техники.

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

Библиографическая ссылка