Радіаційнозахисний тонкоплівковий матеріал

Корисна модель відноситься до радіаційнозахисних матеріалів, зокрема до тонкоплівкових прозорих матеріалів, а також до надтонких покриттів і може бути використана, наприклад, для розробки захисних від іонізуючого випромінювання покриттів для віражних стекол. Матеріали, що поглинають радіацію й зберігають пропускну здатність видимого випромінювання, представляють великий практичний інтерес для різних областей промисловості. Відомі еластичні системи, що забезпечують радіаційний захист за допомогою синтетичних матеріалів, у формі пластин, листів, покриття лаку й т. п., тому що деякі з полімерних матеріалів можуть бути приєднані до бетону, сталі, залізу, алюмінію й т. п., беручи до уваги, що еластичні полімерні матеріали, особливо природні й синтетичні гуми, через їхню гнучкість і/або пружність використовуються для створення захисного одягу, що забезпечує е фективний захист від радіоактивного випромінювання, включаючи захист від альфа-, бета- і гаммавипромінювання, іонної й нейтронної радіації. Із цих типів радіаційного випромінювання гамма- й нейтронне випромінювання - найнебезпечніші. Гаммавипромінювання ефективно поглинається елементами високої щільності й високого числа в періодичній системі, беручи до уваги, що нейтрони, які не несуть навантаження, взаємодіють із більш легкими елементами, особливо з воднем, а також вуглецем і киснем, тобто, з елементами, з яких принаймні формують істотну частину із синтетичних пластмасових матеріалів. Металевий елемент у еластичних матеріалах гомогенно диспергірован в еластомерній матриці в порошковій формі. Навіть при тім, що еластомер може мати стійкий склад, у багатьох випадках доповнення металевого порошку викликає шкідливі ефекти в матеріалі сполуки через хімічну взаємодію між цими двома компонентами. Однак, в основному, саме компоненти наповнювача закладають основу структури кінцевого продукту, тому безпосередньо в процесі проектування радіаційно-захисного матеріалу підбирають гранулометричний склад наповнювача у вигляді фізичних або хімічних дисперсних сумішей (надалі порошкові суміші). Основні радіаційно-захисні й експлуатаційні властивості дисперсно-наповнених матеріалів залежать від природи, виду й кількісних характеристик металовмісних порошкових сумішей, які можуть істотно змінювати властивості матеріалів: зміцнювати, ущільнювати, стабілізувати та змінювати твердість. Саме компоненти порошкових сумішей впливають на прозорість матеріалу. У дисперсних системах виявлений новий клас матеріалів - ультрадисперсні середовища, які являють собою ансамблі часток розміром менш 1мкм і мають унікальні теплові, механічні, магнітні та інші властивості. Специфічні властивості ультрадисперсного середовища робить його розповсюдженим наповнювачем для виготовлення радіаційнозахисних матеріалів. Таке середовище є доступним, як правило, недорогим вихідним матеріалом. Відомо, що ультрадисперсні частки, що володіють високою поверхневою активністю, забезпечують найбільший ефект аномального проходження рентгенівського випромінювання крізь ультрадисперсні системи (Ткаченко В. І., Крикун Ю. О. та ін. «Закономірність взаємодії рентгенівського випромінювання із середовищами, що містять ультрадисперсні частки». Російська академія природних наук. Наукові відкриття. Збірник коротких описів наукових відкриттів - 1998 p., Москва). Експериментальне доведено, що при взаємодії рентгенівського випромінювання з ультрадисперсним середовищем спостерігаються істотні надослаблення радіоактивного випромінювання (Алексеев Ю. С., Джур Є. О., Крикун Ю. О., Ткаченко В. І. та ін. « Аномалії рентгенівського випромінювання і їхнє використання в промисловості. Збірник «Системні технології». Дніпропетровськ; НМетАУ, 2002 р.). Відомий еластичний радіаційно-захисний матеріал (патент України №59493, МПК G21F1/10, опубл. 15.09.2003), що містить матрицю, яка охоплює дисперсну суміш, маса якої в матеріалі із заданими товщиною та масою відповідає значенню стрибка, отриманому на моделі, й регламентована співвідношеннями: Μ=K×m, Нпогл=К×Нпрох, де: K=ln(fпpox/fпoгл)-1. Коли розмір часток стає порівнянним з характерним кореляційним масштабом того або іншого фізичного процесу при взаємодії наповнювача і матриці, у цих системах реалізуються ефекти у вигляді аномалій. Аномальний ефект забезпечується за рахунок вузького розподілу часток по розмірах з утворенням певної структури, що забезпечує стрибок поглинання при взаємодії критичного співвідношення мас наповнювача й матриці. У відомому рішенні пропонується новий підхід до структурного моделювання деформаційних і міцносних властивостей дисперсно-наповнених композитів на стадії проектування матеріалу. Його основне достоїнство полягає в тім, що воно дозволяє прямо врахувати стр уктур у матеріалу. Ви ходячи зі знання фізичних закономірностей, властивих досліджуваній системі, здійснюється перехід до дискретної системи більш простої для розрахунків. Для композитних матеріалів з бідисперсним наповненням визначені залежності, отримані на моделі для визначення критичної концентрації дисперсної фази (маси наповнювача) в певному фракційному складі. Запропонована структурно-статистична модель, призначена для швидких розрахунків, що дозволяє попередньо проектувати реальний матеріал із заздалегідь заданими властивостями. З її допомогою досліджені залежності граничних напруг і деформацій від концентрації наповнювача й об'ємної маси моделі. На підставі отриманих співвідношень можна визначити масу наповнювача для одержання реального матеріалу. Основним недоліком відомого рішення є залежність маси наповнювача від загальної маси матеріалу, що не враховує співвідношення твердої й рідкої фаз, хоча тільки їхня взаємодія формує матеріал. Крім того, більша неоднорідність часток (полідисперсність) не дозволить одержати плівкові матеріали. Для забезпечення радіаційного захисту плівковим матеріалом недостатньо лише визначення маси порошкової суміші, що забезпечує поглинання визначеного випромінювання. Необхідно визначити об'єм розчинника, що формує матеріал, а це можливо при більш визначеному співвідношенні твердої й рідкої фаз і однорідному гранулометричному складі. Тому відоме рішення не дозволяє отримати радіаційно-захисний тонко-плівковий матеріал. Відомий гнучкий радіаційно-захисний матеріал (патент США. №353692027, МПК G21F 1/00, 3/00, 5/00, 7/00, опубл. жовтень 1970 р.), що включає еластомірний матричний матеріал і частки наповнювача, однорідно розподілених у матричному матеріалу, частки наповнювача, що включають суміш металу, що поглинає радіацію, з матричним матеріалом, який включає суміш порошкових середовищ, що вступає в реакцію з матричним матеріалом, і, принаймні, один інший метал, що не вступає в реакцію з матричним матеріалом. Матеріал включає високу пропорцію металевих часток наповнювача в матриці. В якості металевих часток використовуються свинець, олово, а в якості еластомірного матеріалу використовується гума. Використання різних матеріалів дозволяє покрити частки інертною речовиною. Однак надзвичайно важко одержати повністю однорідні плівки, які мають таку структур у, тому що частки порошку мають тенденцію утворювати ансамблі, і т. п., що істотно змінює структур у матеріалу й відповідно впливає на характеристики обробки порошку. Такий підхід полягав у тому, щоб використати неактивні хімічні склади металевого елемента типу чистого свинцевого порошку. На підставі цього можна одержати еластичний матеріал. Однак висока пропорція металевого порошку приводить до зниження еластичності й неможливості одержання радіаційно-захисного тонко-плівкового матеріалу. Крім того, застосування свинцю сприяє виділенню токсичних сполук у процесі виробництва й експлуатації отриманих виробів Найбільш близьким по технічній суті є радіаційно-захисний еластомірний матеріал (W02004/023493 МПК G21F1/12, опубл. 18.03.2004), що містить шари еластичного матеріалу, армовані порошкоподібним наповнювачем, як наповнювач використаний металевий порошок, перший еластичний шар містить спирт етиловий, коригувальну добавку «мовілит» у якості зв'язувальної речовини і металевий порошок із гранулометричним складом від 1 до 9,0мкм, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: металевий порошок - 20-25, спирт етиловий - 67-70, корегувальна добавка «мовілит» - решта, а другий шар еластичного матеріалу містить спирт-ацетонову суміш, епоксидну смолу в якості зв'язувальної речовини і металевий порошок із гранулометричним складом від 9,0 до 100мкм, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: металевий порошок - 20-25, епоксидна смола - 43-46, спирт-ацетонова суміш - решта. Виконанням шару з епоксидної смоли, армованої металевим порошком із гранулометричним складом від 9,0 до 100мкм, забезпечується максимальне упакування більших часток металевого порошку в одиниці об'єму й відбувається утворення більш однорідної композиційної структури. За рахунок щільності укладання часток металевого порошку в шарі, забезпечується збільшення насичення металевими частками матеріалу при зниження його щільності, що обумовлює зменшення об'ємної ваги металевого наповнювача до 20-25% у складі із забезпеченням захисту від гамма- і рентгенівського випромінювань. У відомому рішенні зменшували хімічну реактивність між еластомером і металом, збільшуючи об'єм розчинника, що дозволило підвищить еластичність матеріалу й знизити вміст металу при збереженні заданого рівня захисту. Однак для одержання однорідної структури необхідно на основу наносити мінімум два шари. Перший шляхом попереднього просочення склотканини шаром зниженої в'язкості й армованого металевим порошком, що має менший гранулометричний склад в порівнянні з наступним шаром, що має більший розмір часток порошку й підвищену в'язкість. До недоліків відноситься те, що відомий матеріал може мати не менш двох шарів, які не дозволять одержати тонко-плівковий матеріал, що забезпечує збереження щільності пропущення видимого випромінювання. Крім того відомий заявлений матеріал низько технологічний. В основу корисної моделі поставлено задачу створення радіаційнозахисного тонкоплівкового матеріалу за рахунок підбору компонентів порошкової суміші й розчинника шляхом визначення їхнього критичного співвідношення, що формує структуру, яка аномально поглинає випромінювання, що забезпечує одержання тонко-плівкового матеріалу із заданою кратністю поглинання радіоактивного випромінювання зі збереженням щільності пропущення видимого випромінювання. Поставлена задача вирішується тим, що радіаційнозахисний тонкоплівковий матеріал, що містить еластичний матеріал, армований порошкоподібним наповнювачем, що підготовлений для змішування з розчинником, відповідно до корисної моделі, як еластичний матеріал використовується розчинник, а як наповнювач використовується порошкова суміш діоксиду цирконію й цеоліту, що включає не більше 1,5% ультрадисперсних часток металу з характерним середнім розміром менш 10-6м, при цьому маса розчинника й маса отриманої суміші, необхідної для утворення плівки, поглинаючої випромінювання заданої кратності при збереженні щільності пропущення видимого світлового випромінювання, перебувають у співвідношенні 1,0:2,1 при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: порошкова суміш цеоліту порошок ZrО2 розчинник 13,1-13,3; 19,05-19,1 решта Співвідношення мас розчинника й порошкової суміші відповідає дифракційному максимуму поглинання випромінювання (стрибок), визначеному на структурно-статистичній моделі, отриманої для критичної маси розчинника при додаванні маси порошкової суміші, що забезпечує поглинання заданої кратності випромінювання при збереженні щільності пропущення видимого світлового випромінювання в межі 550-600нм. У радіаційнозахисному тонкоплівковому матеріалі використовується розчинник, що добре змочує порошкову суміш, але не реагує з компонентами суміші, наприклад, вода, спирт, гліцерин, безбарвний нітролак, пральні порошки. Радіаційнозахисний тонкоплівковий матеріал наноситься у вигляді плоского шару. Співвідношення маси розчинника й порошкової суміші, що становить 1,0:2,1 є тим співвідношенням величин, при взаємодії яких відбувається формування структури й забезпечується одержання плоского шару плівки, що поглинає випромінювання заданої кратності й заданої щільності пропущення видимого світлового випромінювання. За рахунок точного визначення співвідношення критичних мас порошкової суміші й розчинника відбувається витягування з порошкової суміші формуючого компонента у вигляді ультрадисперсних часток металу розчинником і відбувається вузький розподіл по розмірах і самоорганізація дисперсних часток з порошкової суміші в структурні ансамблі. У результаті в решті суміші порошку й розчинника відбувається утворення заданої структури, що адекватно відображає внутрішню будову отриманого матеріалу. Критичне відношення мас порошку й розчинника (Фіг.1) для одержання тонко-плівкового матеріалу заданої товщини одержують у точці перетинання стрибка проходження (S1) і стрибка поглинання (S2) при критичному співвідношенні порошкової суміші й розчинника, що визначається на структурно-статистичній моделі. Це підтверджується прикладом конкретного одержання тонкоплівкового матеріалу на прикладі двох розчинників. Плівковий матеріал необхідної товщини перебуває в заявленому діапазоні відносин, отриманому для критичної маси розчинника при додаванні порошкової суміші. Для скорочення періоду взаємодії використовується порошкова суміш у заявленому складі й процентному співвідношенні компонентів, що включає не більше 1,5% ультрадисперсних часток металу із середнім їхнім розміром менше 10-6м, що є «затравкою» для утворення колоїдної суспензії в інертному розчиннику. Кожна частка, що сформувалася, оточена оболонкою розчинника, що є буферним шаром, який перешкоджає злипанню часток і утворенню багаточасткових агрегатів. Як правило, частки в об'ємі матеріалу утворюють упорядковані структури у вигляді ланцюжків, як лінійних, так і циклічних. Коли ультрадисперсне середовище розподіляється в розчиннику, утворюється в'язко-пружний гель. Такий гель характеризується пружним компонентом, що є мірою твердості, а також і в'язким компонентом, що є мірою плинності системи. Пружна складова типова для поводження тіла, подібного твердому, а грузла складова типова для поводження аналога рідини. У корисній моделі, що заявляється, введення порціями критичної кількості порошкової суміші дозволяє визначити момент зрівноважування співвідношення фаз у системі «порошкова суміш - розчинник». Ультрадисперсні частки можуть утворити шар упорядкованої структури, як мимовільно, так і під дією зовнішніх впливів (наприклад, ультразвуку). За межами заявленого діапазону співвідношення мас розчинника й порошкової суміші не виявлені пікові значення, а процентний вміст складу компонентів у матеріалі визначає оптимальне їхнє співвідношення в пікових значеннях. Перевищення або зменшення вмісту кількісного складу компонентів приведе до зниження захисних властивостей і втраті еластичності. Можливо також з таких моно-шарів одержання високо-упорядкованих багатошарових стр уктур зі строго детермінованою товщиною. Високий ступінь упорядкованості молекулярної структури плівки й характер розташування в ній структурних одиниць в ансамблі забезпечує виникнення в таких плівках нових корисних властивостей, що істотно відрізняють їх від відповідних металевих і інших тонких плівок, зокрема, наявність певних ультрадисперсних часток металу визначеної кількості (не більше 1,5%) у порошковій суміші дозволяє забезпечити радіаційнозахисні властивості матеріалу і підвищення його заданої кратності поглинання, при цьому зберегти на необхідному рівні щільність пропущення видимого світлового випромінювання для одержання прозорого матеріалу. Технічне рішення, що заявляється, поставленої задачі відкриває принципово нові технологічні можливості для одержання прозорих тонко-плівкових покриттів: 1. Можливість формування ансамблів ультрадисперсних часток металу рівномірно диспергованих у порошковій суміші за допомогою розчинника з утворенням моно-шару строго детермінованої товщиною з визначеним вмістом ультрадисперсних часток. 2. Можливість зміни в широких межах умов протікання хімічних реакцій на поверхні і таким чином можливість варіювання розміру, складу, структури й, відповідно, властивостей плівкового матеріалу. 3. Можливість утворення в порошковій суміші часток більш однорідних розмірів і властивостей. У результаті пропонованого рішення можливо задавати одержання тонкоплівкового матеріалу з певними фізико-механічними й фізико-хімічними характеристиками, що забезпечують задану кратність поглинання. Технічне рішення, що заявляється, дозволяє одержувати надтонкі покриття із властивостями, що змінюються певним чином залежно від товщини покриття й зовнішніх впливів (тобто покриттів з новими властивостями, якими в принципі можна управляти). Сутність корисної моделі, що заявляється, більш докладно роз'ясняється нижченаведеними прикладами, що підтверджують можливість його здійснення, з посиланнями на прикладені креслення. На Фіг.1 показана крива Бугера (1) і наявність стрибків для матеріалу, що включає ультрадисперсне середовище (2). На графіку показано результат взаємодії мас порошкової суміші розчинника. Стрибок поглинання S перебуває в точці, що відповідає критичному співвідношенню цих мас для заданої кратності випромінювання й щільності проходження світлового потоку, що забезпечує плівці необхідну прозорість. А по відомим співвідношенням можливо отримати співвідношення компонентів для одержання плівкого матеріалу з заданими властивостями. Пропонований тонкоплівковий матеріал утворюють таким чином. Для одержання тонкоплівкового матеріалу запропонована структурно-статистична модель, призначена для швидких оцінних розрахунків. На модельному «зразку» визначається співвідношення критичної маси порошкової суміші й розчинника, при якому відбувається відхилення у вигляді стрибка на кривій, побудованої для цих залежностей. Результат визначають за апробованою методикою (Крикун Ю. О., Ткаченко В. І., та ін. «Закономірність взаємодії рентгенівського випромінювання із середовищами, що містять ультрадисперсні частки». Російська академія природних наук. На укові відкриття. Збірник коротких описів наукових відкриттів - 1998 p., Москва). Установка включає системи джерела й детектора. Система джерела складається із джерела випромінювання з ізотопом 241Аm (Е=59,54кэВ), укладеного в латунний корпус-екран, що встановлений на співвісно пов'язаному з ним коліматорі. У нижній частині коліматора виконане поглиблення діаметром 12,5мм і висотою 11мм для установки кювети, у яку поміщають порошкову суміш і розчинник. Для цього використають кювету з алюмінієвого сплаву Д-16 (внутрішній діаметр 3,2см). Кювета з масою суміші, прийнятою за одиницю виміру, розташовується в концентрованому пучку гама випромінювань і потім до суміші порціями додається розчинник. Для одержання критичного співвідношення мас розчинника й порошкової суміші, необхідного для заданої товщини плівки, приймається маса розчинника, до якої порціями додається порошкова суміш до одержання максимального значення поглинання (стрибок на Фіг.1). Приклад 1. У кювету (при діаметрі 3,20см, що має площу 8см 2) вносять розчинник. Як розчинник використовується безбарвний нітролак (р=1,2г/см 3) по заданій товщині пропущення світлового потоку рівної 0,05см (задана величина). Для тонкоплівкового матеріалу діапазон усереднення при порціях добавок перебувають менше відносини 1:1, об'ємна маса розчинника становить 0,5г. Маса порошку, що прийнята за одиницю виміру, при співвідношенні 1:1 дорівнюється 0,5г. Для одержання плівки до розчинника порціями додається порошкова суміш цеоліту, що складається з наступних елементів: SiO2, Fе2О 3, ZnO, СаСО3, NaCl та КСl, і діоксид цирконію (ZrO2), що включає приблизно 1,3% ультрадисперсних часток металу. При додаванні порції суміші перемішування здійснюється, наприклад за допомогою ультразвукового пристосування (Чмиленко Ф. О. та ін. Ультразвук в аналітичній хімії (теорія й практика). Дніпропетровськ, ДГУ, 2001 р., стор. 207-215). Після перемішування кювету просвічується (247 Ат) с енергією 59кэВ і фіксується пікове значення (стрибок) при заданій кратності проходження випромінювання рівної 0,3 для 0,5г суміші (Фіг.1). На підставі відомого співвідношення з патенту України. №59493. M=S×m, Hпогл=S×Hпрох S=ln(fпрох/fпогл)-1. Тоді для тонкоплівкового матеріалу співвідношення має вигляд fпpox=Ι/Ι0= 0,1 (у відносних одиницях). І відповідно стрибок для поглинання одержуємо при fпогл.=0,1. S2=ln(0,3/0,1)-1=2,1. Для одержання плівки з використанням як розчинник безбарвний нітролак на моделі, отриманої на площі 8см, необхідно m=M/S=0,5/2,1=0,238г (порошкової суміші). Таблиця 1 № порції 1 2 3 4 5 Порошкова суміш, (г) 0,24 0,30 0,35 0,45 0,50 Розчинник, (г) 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 S 0,10 0,2 0,34 0,19 0,10 Відношення мас 2,10 1,43 1,25 1,11 1,0 З таблиці 1 видно, що діапазон відносини мас для заданих стрибків поглинання S перебуває в межі 1,0-2,1. У зазначеній межі перебувають значення критичного співвідношення мас, що забезпечує утворення структури, що аномально поглинає випромінювання. Використання зазначених діапазонів відносин мас дозволить розширити область одержання речовини при заданому відношенні щільностей випромінювання (при змінюванні співвідношення системи «дисперсна система розчинник»). Для одержання реальної речовини значення, отримані на моделі, досить перенести на конкретний об'єм завантаження змішувального агрегату. Нанесення різних тонких плівок на матеріали відомо (кн. Тонкі плівки. Т. 1-6, 1983). Однак у пропонованій корисній моделі плівка є прозорою й вона наноситься на лицьову сторону скла, що застосовується для захисту від радіаційного випромінювання. У результаті використання радіаційнозахисної плівки з'явилася можливість в умовах експлуатації зберегти вихідні оптичні властивості захисного покриття й скла одночасно, що дозволяє підвищити ресурс скла в умовах радіаційного впливу електронів з енергією; знизити швидкість радіаційної деградації скла при електронному опроміненні. Заявлене технічне рішення дозволить знайти широке застосування для одержання пропонованих матеріалів. Досягається підвищення радіаційного захисту плівкових матеріалів при збереженні оптичних властивостей скла. Використовується простий по складу й екологічно нешкідливий плівкоутворювальний розчин. Крім того, до достоїнств пропонованої корисної моделі відноситься доступність вітчизняної сировинної бази й відсутність токсичних виділень при експлуатації.