Обращение к читателям

УДК 620.197

 

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИО- И РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

¹ Гульбин В.Н., ¹Колпаков Н.С., ¹Горкавенко В.В., ²Чердынцев В.В.

¹ ОАО «Инженерно-маркетинговый центр «Концерна «Вега», г. Москва,

² Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва

 

Аннотация. Разработаны и исследованы радио- и радиационно-защитные композиционные  материалы с различными наполнителями в зависимости от назначения. Для защиты от электромагнитного излучения использованы углеродные материалы. С использованием этих наполнителей разработаны новые радиозащитные полимерные нанокомпозиты различного функционального назначения. Для защиты от гамма и нейтронного излучений разработаны и исследованы алюминий матричные и полимер матричные композиционные материалы. В качестве исходных материалов для алюминий матричных радиационно-защитных материалов использовали сплавы АМг6 и В95 (матрица), и наполнители - нановольфрам, карбид и нитрид бора, а для полимер матричных нанокомпозитов в качестве матрицы использовали сверхвысокомолекулярный полиэтилен и те же наполнители. Установлено, что в полученных нанокомпозитах за счет использования радиационно-поглощающих наполнителей происходит почти полное поглощение тепловых нейтронов и около половины медленных нейтронов, при этом увеличивается коэффициент ослабления γ-излучения на 20÷30 %.

1. ВВЕДЕНИЕ.

В результате техногенных и атомных катастроф, активного освоения космоса, применения аппаратуры, генерирующей электромагнитные излучения, и использования ускорителей заряженных частиц медицинского и ядерно-энергетического назначения обострилась проблема, связанная с защитой электронной аппаратуры, техники и персонала, ее эксплуатирующего, от электромагнитных и ионизирующих излучений искусственного и природного происхождения, т.е. решение задачи получения материалов радио- и радиационной защиты к настоящему времени удовлетворительного решения не имеет.

С целью решения этой проблемы предлагается использовать дисперсные порошки с радио- и радиационно-поглощающими свойствами для использования их в качестве наполнителя в металлической или полимерной матрице, что позволит значительно улучшить защитные характеристики этих композитов и достичь эффекта поглощения электромагнитных и проникающих радиационных излучений. Сопоставимость размеров структурных единиц (частиц) и длины волны излучения (нейтронов, рентгеновских и гамма квантов) приводит к дополнительному рассеиванию излучений и, следовательно, к увеличению эффективной длины пути излучения в нанокомпозитах. Поэтому для получения радио- и радиационно-защитных композитов необходимо создание новых технологических процессов, позволяющих достичь синергию функциональных свойств продукции и повышения эффективности ее производства, а также повышения их конкурентоспособности.

2. РАДИО-ЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

В последние десятилетия бурное развитие получили технологии, связанные с излучением электромагнитной энергии в окружающую среду. Освоение частотных диапазонов, развитие радиовещания, увеличение числа телевизионных каналов, развитие спутниковой связи резко обострило проблемы электромагнитной экологии. Существует устойчивая тенденция наращивания количества излучающих технических средств, увеличения их энергетических потенциалов и территориальной концентрации. Такие „горячие точки“ – скопления излучающих технических средств – повсеместно возникают в мегаполисах, в крупных городах и аэропортах. С точки зрения экологии, электромагнитное излучение (ЭМИ) – это один из видов энергетического загрязнения окружающей среды и Всемирная организация здравоохранения уже определила электромагнитный смог как одну из 4-х главных составляющих при загрязнении окружающей среды.

Повышенный уровень ЭМИ приводит к нарушению нормальной физиологии человека.  ЭМИ радиочастотного диапазона могут вызывать заболевания нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, изменять показатели крови и обмена веществ. При длительном воздействии СВЧ-излучений может произойти помутнение хрусталика глаза, нервно-психические заболевания, генные мутации [1].

Основными механизмами защиты от электромагнитного поля (ЭМП) являются отражение, поглощение и многократное отражение [2]. Первичным механизмом защиты является отражение ЭМП со стороны защиты, для которого нужны подвижные носители заряда (электроны или вакансии), взаимодействующие с внешними полями. В результате защита сводится к электропроводности, хотя высокая проводимость не требуется. Вторичным механизмом защиты от ЭМП является поглощение, которое обеспечивается электрическими и/или магнитными диполями, взаимодействующими с внешними ЭМП. Электрические диполи могут быть обеспечены материалами, имеющими высокое значение диэлектрической константы. Магнитные диполи могут быть обеспечены магнитными материалами, имеющими высокий уровень магнитной проницаемости [3]. Иным механизмом защиты является многократное отражение (переотражение), реализуемое за счет отражений от различных поверхностей и граничных переходов в защитном слое. Данный механизм требует наличия больших поверхностей или больших зон соприкосновения в защите. Примером защиты с большой зоной соприкосновения является нанокомпозитный материал, содержащий наполнитель с большой площадью поверхности.

Полимерные композиты (ПК) с проводящими наполнителями являются привлекательными для задач электромагнитной защиты [4] благодаря их технологичности, что помогает снизить или устранить количество соединений в конструкции защиты. Полимерная матрица является электроизолирующей и не влияет на защитные функции, хотя полимерная матрица может влиять на контактные свойства проводящих наполнителей, а это улучшает эффективность защиты.

При проведении экспериментальных работ по разработке и исследованию радиозащитных ПК с наполнителями использовались методы структурного и физического модифицирования полимерной матрицы углеродными компонентами. В результате были получены углеродная композиция, придающая радиопоглощающие свойства композиционным материалам и новые ПК с повышенными радиозащитными свойствами на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). При модифицировании ПК углеродные наночастицы проникают в структуру полимерной матрицы, создавая в объеме наноразмерный по сечению элементов и макроразмерный по протяженности электропроводный каркас, в котором под воздействием ЭМИ в материале возникают квантовые эффекты и образуется набор энергетических уровней перехода, обеспечивающих поглощение ЭМИ.

Доведение до рабочего состояния углеродных компонентов и гранулированных полимеров производили в роторной мельнице Pulverisette 14, а их измельчение до наноразмерной величины осуществляли в шаровой мельнице Pulverisette 5. Изготовление образцов производили методом статического прессования на гидропрессе с одновременным нагревом. Методами оптической микроскопии и на растровом электронном микроскопе (РЭМ) JSM-6700F изучали изменение размеров, форм и структуры углеродных частиц, введенных в полимеры и спрессованных на различных температурных режимах. Определение радиофизических характеристик ПК проводили методом измерения коэффициентов отражения и пропускания электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне на стенде по измерению радиопоглощающих свойств композиционных материалов с использованием панорамного измерителя коэффициентов стоячей волны нормальной (КСВН). Изучение механических свойств ПК осуществляли испытаниями на разрыв стандартных полимерных образцов.

2.1 Углеродная композиция

С целью создания радиозащитных свойств в конструкционных, отделочных и строительных материалах разработана и изучена достаточно дешевая углеродная композиция (УК), придающая радиопоглощающие свойства различной продукции (полимерные композиты и плитки, пеностекла и пенокомпозиты, ячеистые бетоны, наполнители на основе пористых и дискретных заполнителей, тепло- и звукоизоляционные заполнители и др.) Эта композиция [5] придает различным радиозащитным материалам и изделиям функциональное свойство поглощать электромагнитное СВЧ-излучение при ее непосредственном распределении внутри твердой матрицы, или  при нанесении на  поверхности твердых материалов, или при нанесении на поверхности теплоизоляционных заполнителей.

При получении углеродной композиции в качестве радиопоглощающего вещества использовали наноуглерод, диспергированный в сложном растворителе, со средним размером частиц 5÷100 нм и удельной поверхностью 16÷320 м²/г. В УК наноуглерод вместе с адсорбционным слоем представляет собой коллоидные частицы, имеющие заряд, за счет чего они отталкиваются друг от друга и обеспечивают высокую дисперсность и структурную упорядоченность системы. Наночастицы проникают в микропоры и структурные каналы матрицы, создавая в объеме наноразмерный по сечению элементов и макроразмерный по протяженности электропроводный каркас, при этом в радиозащитном материале возникают квантовые эффекты и образуется необходимый набор энергетических уровней перехода, обеспечивающих уверенное поглощение ЭМИ.

В результате проведенных радиофизических испытаний получена зависимость отражения и поглощения ЭМИ от частоты в диапазоне 2,6÷37,5 ГГц для покрытия, выполненного нанесением УК на радиопрозрачную подложку (рис. 1). В измеренном диапазоне поглощение ЭМИ значительно превышает его отражение, а значения поглощения для покрытия толщиной ~50 мкм колеблются от -5 дБ до -12,8 дБ, т.е. показывают высокие радиопоглощающие свойства композиции. Наличие экстремума свидетельствует о резонансном механизме поглощения, что в свою очередь подтверждает образование квантовой структуры [6], которую создает композиция в твердой матрице.

Рисунок 1. Зависимость ослабления ЭМП от частоты ЭМИ на однослойном покрытии УК: 1 – потери на отражение; 2 – потери на поглощение.

2.2 Радиозащитный СВМПЭ

Методом физического модифицирования получен радиозащитный ПК на основе СВМПЭ [7]. Исследованием на РЭМ изучены радиозащитные полученного ПК, который был наполнен радиопоглощающей композицией УК (рис.2).

Рисунок 2. Образцы из радиозащитного СВМПЭ, наполненного УК.

При введении в СВМПЭ  5 % УК на поверхности образца наглядно проявляются углеродные образования, которые имеют преимущественно продольную ориентацию. Это не меняет характер надмолекулярного строения СВМПЭ – волокнистую структуру. Увеличение доли углерода в композите приводит к формированию весьма неоднородной структуры. Прослеживается расслоение СВМПЭ как вдоль ориентации волокон, так и поперек волокон, что связано со значительным превышением доли углерода в полимерной матрице (рис.3). В зависимости от содержания углерода изменяются механические характеристики данного ПК (рис.4).

                

а                                                      б                                                 в

Рисунок 3. РЭМ-структура радиозащитного СВМПЭ с различным содержанием углеродной композиции: а - 5% УК, б – 10 % УК, в – 20 % УК.

Рисунок 4. Зависимость деформации от нагрузки образца радиозащитного СВМПЭ с различным содержанием углеродной композиции: 1 - 5% УК, 2 – 10 % УК, 3 – 20 % УК.

Измерениями радиофизических характеристик радиозащитного СВМПЭ установлено, что с увеличением содержания углеродной композиции происходит увеличение потерь на ослабление и поглощение ЭМИ (рис.5).

Рисунок 5. Влияние содержания углеродного наполнителя на ослабление (кривая 1) и поглощение (кривая 2) ЭМИ в радиозащитном СВМПЭ.

Разработанные ПК предназначены для значительного снижения уровня ЭМП в мегаполисе, гражданском или промышленном строении и сооружении до значений, соответствующих санитарным нормам, в них используются экологически безопасные углеродные компоненты и эти ПК позволяют человеку избавиться от электромагнитного загрязнения в среде его обитания, особенно в крупных мегаполисах.

3. РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

Применение нанонаполнителей в композитах с металлической или полимерной матрицами [8] обусловлено низкой адгезией матричных материалов и керамических радиационно-поглощающих частиц, а также наночастиц тяжёлых металлов, которые использовались в качестве гамма- и нейтроно-поглощающих наполнителей. В работе [9], показано, что использование материалов на основе ультрадисперсных порошков может обеспечить лучшие защитные характеристики от рентгеновского излучения и от тепловых нейтронов. Кроме того, в результате фундаментальных исследований [10] установлено, что использование наночастиц радиационно-поглощающих материалов (BN, B₄C, Pb и W) приводит к увеличению коэффициента поглощения нейтронов в 1,5 раза и коэффициента рассеяния гамма излучения на 15-30 %.

3.1 Алюминий матричные нанокомпозиты

При получении нанокомпозитов на основе алюминиевых сплавов в качестве исходных материалов использовали (рис. 6): а) матричные материалы - сплавы АМг6 и В95; б) для ослабления гамма и рентгеновского излучений – нановольфрам, в) для поглощения нейтронного излучения порошки карбида бора B₄C или нитрида бора BN. В таблице 1 приведены физико-механические свойства нановольфрама.

Таблица 1

Основные физико-механические свойства порошка нановольфрама

Наименование материала	Удель-ный вес, г/см3	Тпл., 0С	Удельная поверх-ность, м2/г	Модуль упругости, ГПа	σв, МПа	Размер частиц, нм
Нановольфрам Wn	19.3	3400	3.6¸12.6	35-38	>100	25¸86

       

а                                       б                                    в                                   г

Рисунок 6. SEM-фотография исходных порошков: (а) АМг6 (x2000), (б) нановольфрама Wn (x10000), (в) карбида бора B₄C (x1200) и (г) турбостратного нитрида бора BN (х1200).

Рисунок 7. SEM-фотография структуры нанокомпозита В95+B₄С_n+m+W_n (х1000).

Методами механохимического синтеза и горячей экструзии изготавливали образцы алюминий матричных нанокомпозитов (АМК) четырех составов. Наиболее качественными получились образцы следующих составов: 1) В95+B₄С_n+m+W_n и 2) AМг6+BN_n+m+W_n. На микроструктуре (рис.7) нанокомпозита состава №2 наблюдается равномерное распределение высокодисперсных частиц B₄C и W_n по матрице алюминиевого сплава В95. Частицы B₄C достигали размера 0,1÷20 мкм, что свидетельствует о протекании одновременно с перемешиванием процесса измельчения исходных порошков. На рис.8  приведена кривая деформации нанокомпозита В95+B₄С_n+m+W_n при сжатии.

Рисунок 8. Кривая деформации образца состава В95+B₄С_n+m+W_n при сжатии.

Практический интерес представляют результаты испытаний на динамическом механическом анализаторе (ДМА-анализатор Q-800) с нагревом плоских образцов из В95+B₄С_n+m+W_n и AМг6+BN_n+m+W_n. Как видно на рис.9 при нагреве образцов до 350 ⁰С происходит снижение модуля упругости на (10÷30) % по сравнению с начальным значением, а при охлаждении до комнатной температуры модуль упругости в образце В95+B₄С_n+m+W_n увеличивается на 15 %, а в образце AМг6+BN_n+m+W_n возрастает на 40÷45 %. Повышение модуля упругости во втором образце почти в 1,5 раза свидетельствует о том, что при нагреве протекает твердофазная реакция. 

Рисунок 9. ДМА графики изменения модуля упругости при нагреве и охлаждении образцов из нанокомпозитов: а) В95+B₄С_n+m+W_n, б) AМг6+BN_n+m+W_n.

Поскольку при эксплуатации данных АМК необходим хороший теплоотвод, то было проведено исследование теплопроводности полученных нанокомпозитов (рис. 10). На кривой (рис. 10а), характеризующей теплопроводность композита В95+B₄С_n+m+W_n в зависимости от содержания в нем B₄C, теплопроводность образца сильно падает с увеличением содержания B₄C и хорошо совпадает с теоретической кривой. Уменьшение теплопроводности, очевидно, является следствием увеличения объемной доли B₄С. Однако, с увеличением температуры нагрева теплопроводность исследованного АМК (рис.10б) увеличивается и это, вероятно, происходит потому, что данная температура нагрева выше температуры Дебая алюминия, и основной вклад в теплопроводность вносит электронная составляющая.

    

Рисунок 10. Изменения теплопроводности нанокомпозита В95+B₄С_n+m+W_n в зависимости от содержания B₄C (а)  и от температуры нагрева (б).

Радиационные испытания проводили в РНЦ «Курчатовский институт». По результатам радиационных испытаний (табл. 2) можно сделать вывод, что с введением борсодержащих материалов (B₄С или BN) в алюминиевую матрицу в исследованных АМК происходит увеличение коэффициента поглощения смешанного нейтронного излучения в 2÷3 раза до 2,15÷3,0 (при Jнейтр.=3,1÷4,0х10¹² 1/стер•к), а с введением нановольфрама выявлено увеличение коэффициента ослабления гамма излучения на 20÷30 % до 1,40 (при Eγ=1,33 мэВ).

Измерения коэффициента пропускания нейтронных излучений показали, что при использовании наноразмерного B₄C в концентрации 25 % масс. в АМК происходит практически полное поглощение тепловых нейтронов и около половины медленных нейтронов (рис.11).

Таблица 2

Радиационно-защитные свойства и механические характеристики АМК

Cостав нанокомпозита	σв, МПа	δ, %	Тпл., 0С	Kn	Kγ
АМг6+BNn+m+Wn	380-400	6-8	650	2.15	1.15
В95+ BNn+m+Wn	620-650	10-12	650	2.8	1.20
АМг6+B4Сn+m+Wn	430-470	8-10	650	2.5	1.35
В95+B4Сn+m+Wn	650-670	8-10	650	3.0	1.40

 

Рисунок 11. Изменение коэффициента пропускания нейтронов в зависимости от расположения облучаемых областей на испытуемом образце: кривая 1 – тепловые нейтроны (V= 2,2 км/с), кривая 2 - медленные нейтроны (V= 4,36 км/с).

3.2 Полимер матричные нанокомпозиты

При изготовлении объемно наполненных радиационно-защитных полимер матричных нанокомпозитов ПМК использовали СВМПЭ со средней молекулярной массой 4×10⁶ г/моль и размером гранул 60 мкм; нановольфрам с размером наночастиц 60-80 нм, промышленный В₄С со средним размером гранул 100 мкм. В результате были получены ПМК состава В₄С+W_n+ СВМПЭ с различной концентрацией наполнителей.

Объемные образцы из полученных ПМК спрессовывали в специальных пресс-формах, позволяющих изготавливать образцы необходимой формы для испытаний на различные свойства: а) радиационно-защитные (образцы ø50 мм и толщиной 1, 2 и 3 мм, и б) механические  (разрывные стандартные образцы по ГОСТ 11262-80).

Кроме механических испытаний образцы ПМК испытывали на ДМА-анализаторе в режиме трехточечного изгиба со скоростью нагрева 5 ºС/мин до температуры 120 ºС. На кривой ДМА-анализа образца ПК (рис. 12) видна кривая зависимости модуля упругости от температуры нагрева. При этом модуль упругости уменьшается с увеличением температуры нагрева с 8 ГПа при комнатной температуре до 3 ГПа при температуре 120 ºС. При охлаждении образца модуль упругости не восстанавливает свои прежние значения и становится выше при достижении комнатной температуры примерно на 10%. При повторном нагреве такие изменения не происходят и образец повторяет свои значения, достигнутые в ходе первого нагревания. Предполагается, что такое упрочнение ПМК возникает из-за переориентации и вытягивании цепочек полимера под действием знакопеременных нагрузок при отжиге.

Рисунок 12. Кривая ДМА-анализа образца состава 12%В₄С+18%Wn+ СВМПЭ.

С целью изучения структурных изменений необлученные и облученные образцы образцов из ПМК подвергали испытаниям на ИК-Фурье спектрометре. Проведенные испытания необлученных образцов показали, что, как видно на спектре (рис. 13), имеются связи С-С и С-Н, характерные для СВМПЭ (пики 2913,2; 2848,2;1460,7). Пик 1077,5 (широкий) возможно относится к связи В-О. Изучение структурных изменений на ИК-Фурье спектрометре необлученных и облученных образцов ПМК (рис.14) показало, что когда наполненный СВМПЭ-полимер подвергается облучению, ожидаются 2 основные химические реакции – разрыв цепи и сшивание. Разрыв цепи инициируется бомбардировкой высокоэнергетическими частицами, а сшивка между соседними цепочками индуцируется свободными радикалами, образованными при разрыве связей C-H. После облучения образцов ПК начинают возникать новые полосы поглощения при 1712 см^-1. Пик при 1712 см^-1 может быть связан с карбонильной группой кетоновых, которая получается путем реакции окисления, либо связан с разрывом цепи или сшиванием.

Рисунок 13. Результаты спектрального анализа необлученных образцов, полученных на ИК-Фурье спектрометре.

Экспериментальное исследование радиационно-защитных свойств образцов из ПМК проводили в РНЦ «Курчатовский институт» на полупроводниковом спектрометре энергии гамма-излучения путём измерения коэффициентов ослабления потока моноэнергетического γ-излучения изотопа ⁵⁷Co с энергией 122 КэВ. Испытания показали увеличение коэффициента ослабления γ-излучения до величины Kγ=1,43. Вероятно, с увеличением концентрации наполнителей в ПМК повысится коэффициент ослабления гамма излучения.

Интересные результаты получены при облучении ПМК потоком различных нейтронов (рис. 14). Здесь коэффициент пропускания рассчитывали исходя из интенсивностей нейтронных потоков: W = [N_d / N₀]. В табл. 3 приведены составы испытанных образцов.

Таблица 3

Состав испытанных образцов из ПМК

Номер образца	Борсодержащий наполнитель и его концентрация, % масс.	Концентрация Wn,            % масс.
6	B4C - 20	0
7	B4C - 20	0
12	BN - 20	0
13	BN - 20	0
8	B4C - 20	18
9	B4C - 20	18
10	BN - 20	18
11	BN - 20	18

 

Рисунок 14. Изменение коэффициента пропускания W потока различных нейтронов в зависимости от концентрации B₄C (образцы №6, 7, 8, 9) и BN (образцы №10, 11, 12, 13): кривая 1 – тепловые нейтроны с V= 1 км/с, кривая 2 – тепловые нейтроны с V= 2,2 км/с, кривая 3 – медленные нейтроны с V= 2,2 км/с, кривая 4 – быстрые нейтроны с V= 300 км/с.

Разделы 2.2 и 3.2 данной работы поддержаны Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение 14.575.21.0041.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. В результате проведенных исследований разработаны эффективные радиозащитные ПК на основе СВМПЭ, наполненных радиопоглощающей углеродной композицией. Для получения радиозащитных свойств в конструкционных, отделочных и строительных материалах получена достаточно дешевая радиопоглощающая углеродная композиция, придающая различным материалам и изделиям функциональное свойство поглощать электромагнитное СВЧ-излучение. Разработанные ПК предназначены для снижения уровня ЭМП в мегаполисе, гражданском или промышленном строении и сооружении до значений, соответствующих санитарным нормам, в них используются экологически безопасные углеродные компоненты и эти ПК позволяют человеку избавиться от электромагнитного загрязнения в среде его обитания, особенно в крупных мегаполисах.

2. Разработаны и исследованы радиационно-защитные АМК 4 составов: В95+В₄С_n+m+W_n, В95+ВN_n+m+W_n, АМг6+В₄С_n+m+W_n и АМг6+ВN_n+m+W_n, которые обладают нижеследующими свойствами: а) предел прочности на разрыв 350÷500 МПа, предел текучести при сжатии 300÷430 МПа; б) коэффициент ослабления нейтронного излучения 2,15÷3,0; в) коэффициент рассеяния гамма излучения достигает Kγ=1,40; г) обладают высокими теплопроводными свойствами.

3. Разработаны и исследованы радиационно-защитные ПМК различных составов. ДМА-анализом установлено, что при увеличении количества модификаторов в ПМК, наблюдаются увеличение модуля упругости, предела прочности и предела текучести. Калориметрия опытных образцов ПМК показала, что их упрочнение возникает из-за переориентации и вытягивания цепочек полимера под воздействием знакопеременных нагрузок при отжиге. Измерения коэффициентов ослабления гамма-излучения изотопа с энергией Eγ=122 кэВ показали увеличение коэффициента ослабления γ-излучения до величины 1,21÷1,43. Нейтронные испытания показали, что коэффициент пропускания потоков нейтронов зависит от концентрации борсодержащих наполнителей, и очень сильно зависит от скорости перемещения нейтронов. Установлено, что коэффициент пропускания тепловых нейтронов (V= 1 км/с) при концентрации В₄С 20 % масс. достигает величины 0,2-0,25, т.е. поглощается 75-80 %, а коэффициент пропускания быстрых нейтронов (V= 300 км/с) при той же концентрации В₄С достигает значения 0,6-0,7, т.е. поглощается не более 30-40 %.

 

Список литературы.

1. Grigoriev O.A. Electric-magnetic fields and human health. The state of problem // Energy: Econ., techn., ecol. 1999. No. 5.

2. Materials for biological safety through electromagnetic shielding. D.D.L. Chung, University at Buffalo, New York, USA, Yu. K. Alexandrov, Central Design Bureau for Special Radiomaterials, Moscow, Russia, etc. J. Mater. Eng. Perf. 9(3), 350-354 (2000).

3. V.V. Sadchikov and Z.G. Prudnikova, Stal’., 1997, (4), 66-69.

4. D.A. Olivero and D.W. Radford, Reinforced Plastics & Composites, 1998, 17(8). 674-690.

5. Радиопоглощающая композиция для радиозащитных материалов. Поливкин В.В., Гульбин В.Н., Михеев В.А., Колпаков Н.С. Патент РФ 2519244, 2012.

6. Астахов М.В., Французов А.А. Взаимодействие нанокристаллических частиц с электромагнитным излучением // 1 Конференция по высокоорганизованным соединениям. Июнь 1996 г.

7. Гульбин В.Н., Чердынцев В.В., Поливкин В.В., Горкавенко В.В. Полимерные композиты с углеродными наполнителями для защиты от электромагнитных излучений. Электромагнитные волны и электронные системы. №11, 2014, т.19. С.66-72.

8. В.Н. Гульбин, Н.С. Колпаков. Облегченные радиационно-защитные композиты.  Наукоемкие технологии, №3, 2014, т.15. С.4-16.

9. Артемьев В.А. Об ослаблении рентгеновского излучения ультрадисперсными средами. ГНИИ Технологии материалов. Письма в ЖТФ, 1997, том 23, №6.

10. Гульбин В.Н.,  Петрунин В.Ф.  Исследование радиационнозащитных нанокомпозитов. Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем. Материалы VIII Всероссийской конференции. М. :Белгород, 2008.

АВТОРЫ.

1. Гульбин Виктор Николаевич, кандидат технических наук, член Нанотехнологического общества России. Организация: ОАО «Инженерно-маркетинговый центр Концерна «Вега» (ОАО «ИМЦ Концерна «Вега»), начальник отдела радиозащитных материалов, тел. 8-495-995-55-58, доб. 23-59, e-mail: vngulbin@mail.ru.
Gulbin Victor Nikolayevich, Ph.D. Head of Radioprotection materials Department, Open Joint-stock Company «Engineering and Marketing Centre of «Vega» Corporation (OJSC «EMC «Vega» Corp.). Member of Russian Nanotechnology society. The address: 125190, Moscow, 14 Baltiyskaya street, phone: +7 (495) 995-55-58, доб. 23-59, e-mail: vngulbin@mail.ru.
2. Колпаков Николай Сергеевич, кандидат технических наук. Организация: ОАО «Инженерно-маркетинговый центр Концерна «Вега» (ОАО «ИМЦ Концерна «Вега»), заместитель генерального директора по науке, тел. 8-495-995-55-58, доб. 23-04. e-mail: kolpakov@imc-vega.ru.
3. Горкавенко Владимир Васильевич, кандидат физико-математических наук, с.н.с. Организация: ОАО «Инженерно-маркетинговый центр Концерна «Вега» (ОАО «ИМЦ Концерна «Вега»), начальник научно-технического отдела, тел. 8-495-787-43-81, доб. 210, e-mail: v.v.gorkavenko@mail.ru.
Gorkavenko Vladimir Vasilyevich, Ph.D., Head of Department, Open Joint-stock Company «Engineering and Marketing Centre of «Vega» Corporation (OJSC «EMC «Vega» Corp.) The address: 125190, Moscow, 14 Baltiyskaya street, phone: +7 (495) 787-43-81 add. 210, e mail: v.v.gorkavenko@mail.ru.
4. Чердынцев Виктор Викторович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры Физической химии. Организация: ФБГОУ Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ «МИСиС»), тел. 8-495-638-45-95, e-mail: vvch@misis.ru.
Cherdyntsev Victor Victorovich. Ph.D. Associate professor of Physical chemistry, National Research & Technology University “MISA”. The address: 117049, Moscow, 4 Leninskiy prospect, phone: +7-495-638-45-95, e-mail: vvch@misis.ru.

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF RADIO AND RADIATION-PROTECTIVE COMPOSITE MATERIALS

V.N. Gulbin – Ph. D. (Eng.), Head of Department of Radioprotection materials, JSC «EMC of Corporation «Vega» (Moscow). E-mail: vngulbin@mail.ru

N.S. Kolpakov – Ph. D. (Eng.), Deputy General Director, JSC «EMC of Corporation «Vega» (Moscow). E-mail: kolpakov@imc-vega.ru 

V.V. Gorkavenko – Ph. D. (Phys.-Math.), Senior Research Scientist, Head of Scientific and technical department, JSC «EMC of Corporation «Vega» (Moscow). E-mail: v.v.gorkavenko@mail.ru

V.V. Cherdyntsev – Ph. D. (Phys.-Math.), Associate Professor, Department of Physical chemistry, NUST «MISIS» (Moscow). E-mail: vvch@misis.ru

As a result of the studies were developed effective radio-protective polymer composites based on UHMWPE filled with radar absorbing carbon composition. For radio-protective properties in construction, decoration and building materials were developed enough cheap radio absorbing carbon composition, giving various materials and products functional property of absorbing electromagnetic microwave radiation. Designed polymer composites are designed to reduce EMF in the metropolis, civil or industrial buildings and structures to values corresponding to the sanitary norms, they use environmentally friendly carbon components and these polymer composites allow a person to get rid of electromagnetic pollution in its habitat, especially in large metropolitan areas.

Developed and investigated radiation-protective composites filled with sinks ionizing radiation: neutron (BN, B4C), gamma (nano-tungsten) with a metal (aluminum alloys AMg6 and V95) and polymer (ultrahigh molecular polyethylene – UHMWPE) matrix. Of greatest interest are composites following combinations: a) aluminum matrix composites – AMg6 + BN_n+m + W_n; B95 + BN_n+m + W_n; AMg6 + B₄C_n+m + W_n; V95 + B₄C_n+m + W_n; b) polymer matrix composites – BN_n+m + W_n + UHMWPE. Aluminum matrix composites have the following properties: a) tensile strength of 350−500 MPa, a yield strength in compression of 300−430 MPa; b) the attenuation of neutron radiation 2,15−3,0; c) scattering coefficient of gamma radiation reaches Kγ = 1,40; g) has high thermal conductivity properties. In the polymer-matrix composites DMA analysis revealed an increase in modulus, tensile strength and yield strength. Calorimetry samples obtained polymer matrix composites showed that their hardening occurs because of a reorientation and stretching of the polymer chains under the influence of alternating loads during annealing. Measuring the attenuation coefficient of gamma radiation isotope with energy Eγ = 122 keV showed an increase in the attenuation coefficient γ-radiation to a value of 20−30%. Neutron tests showed that the transmittance of the neutron flux dependent on the concentration of boron-containing fillers, and very much dependent on the speed of the neutrons. Found that the transmission coefficient of thermal neutrons (V = 1 km/s) at a concentration of 20 wt.% of B4C. 0,2−0,25 reaches, i.e. 75−80% is absorbed, and the transmittance of fast neutrons (V = 300 km/s) at the same concentration B4C reaches 0,6−0,7, i.e. absorbed no more than 30−40%.

References:

1.Grigoriev O.A. Electric-magnetic fields and human health. The state of problem // Energy: Econ., techn., ecol. 1999. № 5.
2.Chung D.D.L., Alexandrov Yu.K. Materials for biological safety through electromagnetic shielding // J. Mater. Eng. Perf. 2000. № 9(3). P. 350−354.
3.Sadchikov V.V., Prudnikova Z.G. // Stal’. 1997. № 4. P. 66−69.
4.Olivero D.A., Radford D.W. // Reinforced Plastics & Composites. 1998. № 17(8). P. 674−690.
5.Pat. 2519244 RF. Radiopogloshhajushhaja kompozicija dlja radiozashhitnykh materialov / Polivkin V.V., Gulbin V.N., Mikheev V.A., Kolpakov N.S.; 2012.
6.Astakhov M.V., Francuzov A.A. Vzaimodejjstvie nanokristallicheskikh chastic s ehlektromagnitnym izlucheniem // Sb. trudov I-jj konf. po vysokoorganizovannym soedinenijam. Ijun, 1996.
7.Gulbin V.N., CHerdyncev V.V., Polivkin V.V., Gorkavenko V.V. Polimernye kompozity s uglerodnymi napolniteljami dlja zashhity ot ehlektromagnitnykh izluchenijj // EHlektromagnitnye volny i ehlektronnye sistemy. 2014. T. 19.№ 11. S. 66−72.
8.Gulbin V.N., Kolpakov N.S. Oblegchennye radiacionno-zashhitnye kompozity // Naukoemkie tekhnologii. 2014. T. 15. № 3. S. 4−16.
9.Artemev V.A. Ob oslablenii rentgenovskogo izluchenija ultradispersnymi sredami // GNII Tekhnologii materialov. Pisma v ZHTF. 1997. T. 23. № 6.
10.Gulbin V.N., Petrunin V.F. Issledovanie radiacionnozashhitnykh nanokompozitov // Materialy VIII Vseros. konf. Fizikokhimija ultradispersnykh (nano-) sistem. M.:Belgorod. 2008.

 Предложение спонсорам