ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ С ВЫСОКОЙ СТОЙКОСТЬЮ К РАДИАЦИИ

A PROMISING MATERIAL WITH HIGH RESISTANCE TO RADIATION

Danil Zhiltsov

Student of the Department of Designs and Tests of Aircraft of the Voskhod branch of the Moscow Aviation Institute in Baikonur,

The Republic of Kazakhstan, Baikonur

АННОТАЦИЯ

На сегодняшний день в качестве защиты от радиации в космических аппаратах используют тяжёлые металлы. Для облегчения веса конструкции целесообразно рассмотреть смешанный композит, состоящий из полиимида и полиэфиримида с внедренным силиката висмута. Модификатор придаст композиту более высокую стойкость к радиации. Материал представляет собой интересный объект исследования, который может сочетать преимущества обоих полимеров и добавки для достижения специфических свойств. Он может стать перспективным материалом для различных высокотехнологичных применений благодаря своим уникальным качествам.

ABSTRACT

To date, heavy metals are used in spacecraft as protection against radiation. To lighten the weight of the structure, it is advisable to consider a mixed composite consisting of polyimide and polyesterimide with embedded bismuth silicate. The modifier will give the composite a higher resistance to radiation. The material is an interesting research object that can combine the advantages of both polymers and additives to achieve specific properties. It can become a promising material for various high-tech applications due to its unique qualities.

Ключевые слова: полиимид, полиэфиримид, силикат висмута, модификатор, комбинированный композит.

Keywords: polyimide, polyesterimide, bismuth silicate, modifier, combined composite.

На сегодняшний день используются полиимиды для защиты от радиации различных кабелей, плат и микросхем, но не во всей космической технике. Из-за высокой жёсткости цепи и сильных межмолекулярных взаимодействий полиимиды уменьшают свои радиационно-защитные свойства.

Для улучшения физико-химических и механических свойств материала предлагается использовать комбинированный композит с модификатором силиката висмута. Такой материал будет термостойким, прочным и стабильным для защиты от радиации.

Комбинированные композиционные материалы, представляют собой два или более компонентов объединённые между собой прочной молекулярной связью и обладающие различными физическими и химическими свойствами. Один из них выступает в качестве матрицы или связующего, а другие — в качестве наполнителей. Эти компоненты объединяются для достижения улучшенных характеристик по сравнению с отдельными материалами [3].

Полиимид — это термопластичный полимер, основан на линейных синтетических высокомолекулярных соединений, присутствующий в главной цепи амидные группы -CONH-. Сама молекула полиимида симметрична, имеет плоские циклические структуры, обычную длину связей с валентными углами. По составу основной цепи полиимиды делятся на алифатические и ароматические.

Алифатическая цепь в контексте полиимида — это твердые вещества, которые легко кристаллизуются. Основные свойства алифатических полиимидов, следующие: высокие температуры плавления, лежащие выше температур их начала разложения, а также не растворяются в известных органических растворителях.

Алифатические полиимиды являются радиационно-стойким материалом. Обладающий хорошими электроизоляционными свойствами.

Полиэфиримид является аморфным термопластичным полимером, обладающим высокими термическими и механическими свойствами. Свойства данного материала: имеет уникальное свойство затухать при горении, устойчив к агрессивным химическим средам, обладает хорошими диэлектрическими свойствами, стойкость к ультрафиолетовому-излучению. Он идеально подходит для авиации.

Предлагается усовершенствовать данные композиты за счет внедрения нового материала модификатора силиката висмута.

Силикат висмута — это сложнейшее неорганическое соединение в своем составе имеет висмут, кремний и кислород. Можно выделить ряд преимуществ это материала:

- высокая термостойкость;

- устойчив к химическим воздействиям;

- является хорошим изолятором;

- имеет высокую стойкость к радиации;

У висмута существует шесть полиморфных модификаций: моноклинная α-модификация, тетрагональная β-модификация, гранецентрированная

δ-модификация, объёмно-центрированная γ-модификация, тетрагональная

ε-модификация и триклинная ω-модификация.

Обратим внимание на рисунок 1 где представлена схема кристаллических структур полиморфных модификаций Bi₂O₃.[1]

Рисунок 1 – Кристаллическая структура полиморфных модификаций Bi₂O₃[1]

По сравнению с другими модификациями висмута самыми стабильными являются α-модификация; δ-модификация при высоких температурах

(730 – 825 °С); остальные модификации метастабильны [1].

Композит, состоящий из полиимида (PI) и полиэфимида (PEI) с наполнителем силикатом висмута (Bi₂SiO₅), обладает высокой радиационной стойкостью. Рассмотрим механизм поглощения различных типов излучения:

Поглощение излучения.

1) Основную роль играет полимерная матрица: полиимиды имеют высокую плотность (~1,4–1,5 г/см³), а полиэфимиды дополнительно обеспечивают аморфную структуру, что способствует рассеиванию  α-частиц.

2) Силикат висмута (Bi₂SiO₅) выступает в качестве барьера, значительно увеличивая массовую плотность композита. Висмут — тяжелый элемент, а его оксиды эффективно поглощают α-частицы.

3) Поскольку пробег α-частиц в твёрдых материалах очень мал (до нескольких десятков микрометров), композит способен почти полностью поглощать их в верхних слоях.

Поглощение излучения

Силикат висмута (Bi₂SiO₅) действует как высоко-Z-наполнитель, который эффективно рассеивает и поглощает электроны за счет:

1) Эффект тормозного излучения: электроны, взаимодействуя с тяжёлыми ядрами висмута, теряют энергию и испускают рентгеновские фотоны.

2) Полимерная матрица играет важную роль в замедлении β-электронов. Лёгкие элементы (C, H, O) рассекают их траекторию, уменьшая энергию.

3) Комптоновское рассеяние, которое снижает энергию β-излучения.

Поглощение излучения.

Основной механизм поглощения γ-излучения — фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние и образование пар.

Силикат висмута (Bi₂SiO₅) — ключевой элемент защиты благодаря высокому атомному номеру висмута (Z = 83), что увеличивает вероятность взаимодействия фотонов с атомами:

1) Фотоэлектрический эффект преобладает при низких энергиях γ-излучения (менее 100 кэВ), при которых γ-квант выбивает электрон из оболочки атома висмута.

2) Комптоновское рассеяние происходит в среднем энергетическом диапазоне (100 кэВ — 10 МэВ), где фотоны теряют энергию, взаимодействуя с электронами.

3) Эффект образования пар (E > 1,02 МэВ): при высоких энергиях γ-квант может создавать пары e⁺/e⁻, которые затем гасятся в материале.

Выявлено, что фотокатализаторы с различной кристаллической структурой показывают фотокаталитические свойства. Исследования показали, что α- Bi₂O₃, β- Bi₂O₃, δ- Bi₂O₃ проявляют превосходную активность в разложении загрязнителей. Структура обладает термической стойкостью и легкостью синтеза. Но в ряде исследований доказано, что наиболее активной является β-модификация. [2]

Благодаря своим термостойким свойством и активному поглощению различных излучений силикат висмута является перспективным в использовании модификатора в композитные материалы для защиты от радиации.

Такая комбинация на основе смеси полиимида и полиэфиримида с внедрением силиката висмута в качестве наполнителя, создаст жаростойкий, прочный, химически стойкий материал.  Комбинированный композит перспективен для высокотехнической отрасли, где требуется сочетание термостойкости и прочности, а также защита от внешних воздействий агрессивной среды.

Особенно важно добиться плотной структуры материала, поскольку, помимо улучшенных механических характеристик, она обеспечивает более эффективную радиационную защиту.

 В отличие от менее плотных сред, такой композит способен лучше поглощать и рассеивать ионизирующее излучение, что делает его востребованным в условиях повышенного радиационного фона.

Список литературы:

1. Drache M. Structures and oxide mobility in Bi-Ln-O materials: heritage of Bi2O3 /M.Drache, P. Roussel, J.-P. Wignacourt // Chem. Rev. – 2007. – № 107. – P. 80 –96.
2. Surface-coordination-induced selective synthesis of cubic and orthorhombic NaNbO3 and their photocatalytic properties / P. Li [et al.] // Mater. Chem. A. – 2013. № 1. – P. 1185– 1191.
3. Шевченко В.Г. Основы физики полимерных композиционных материалов: учеб. пособие /В.Г. Шевченко. — Москва: МГУ, 2010. — 99 с.