Микроструктура улучшила прочность и радиационную стойкость защитных полимеров

Инженеры из Китая создали композит, который одновременно защищает от нейтронного и гамма-излучения. Это шаг к более легким и эффективным материалам для медицины, ядерной энергетики и космоса.

Сканирующая электронная микроскопия (SEM) демонстрирует четыре типа частиц PbWO₄ с разной микроструктурой: игольчатые (a), гладкие сферические (b), шероховатые сферические (c) и нерегулярные (d). Размер и форма частиц влияют на распределение в материале и его эффективность в защите от радиации. Наибольшую площадь поверхности и равномерность имеют частицы типа (c), что делает их наиболее перспективными для композитов.

Источник: Composites Part A

Ученые из Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук под руководством Хо Чжипэна разработали новый радиационно-защитный материал. В его основе — полиэтилен высокой плотности с добавками карбида бора (B₄C) и вольфрамата свинца (PbWO₄), причем в последнем ученые научились точно регулировать микроструктуру. Результаты опубликованы в журнале Composites Part A.

В отличие от традиционных экранов, которые эффективно блокируют только один тип излучения, новая разработка успешно справляется и с нейтронами, и с гамма-фотонами. Это стало возможно благодаря двум видам наполнителей: атомы свинца и вольфрама в составе PbWO₄ поглощают гамма-кванты и быстрые нейтроны, а атомы бора в B₄C — тепловые нейтроны.

Показано, как частицы PbWO₄ и B₄C взаимодействуют с входящими нейтронами и γ-квантами, поглощая их и преобразуя в безопасное излучение. Наилучшую эффективность демонстрирует структура PbWO₄-III за счет высокой площади поверхности и равномерного распределения частиц в материале.

Источник: Composites Part A

Уникальность метода — в контроле формы и структуры частиц PbWO₄. Тестировались три типа: веретенообразные, сферические и шероховатые сферические. Последний вариант показал наилучшие свойства: большую площадь поверхности, равномерное распределение частиц и лучшую сцепку с полимером.

Созданный композитный экран толщиной 15 см задерживает 97,3% нейтронов из источника Cf-252 и 76,4% гамма-квантов от источника Cs-137. При этом материал устойчив к УФ-старению, прочен и сохраняет свойства при нагревании — важные качества для использования в атомной энергетике и космических миссиях. Как отмечают авторы, структурный контроль на микроскопическом уровне — ключ к созданию высокоэффективных защитных материалов нового поколения.

Ранее мы рассказывали, как правильно защитить глаза от ультрафиолета, снизить утомляемость и сохранить четкое зрение в разных условиях.