RU2470395C2 - Composite material for radiation shielding - Google Patents

Composite material for radiation shielding Download PDF

Info

Publication number
RU2470395C2
RU2470395C2 RU2010152157/07A RU2010152157A RU2470395C2 RU 2470395 C2 RU2470395 C2 RU 2470395C2 RU 2010152157/07 A RU2010152157/07 A RU 2010152157/07A RU 2010152157 A RU2010152157 A RU 2010152157A RU 2470395 C2 RU2470395 C2 RU 2470395C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
composite material
components
radiation shielding
modified
activated
Prior art date
Application number
RU2010152157/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010152157A (en
Inventor
Павел Владимирович Матюхин
Вячеслав Иванович Павленко
Роман Николаевич Ястребинский
Юлия Михайловна Бондаренко
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова"
Priority to RU2010152157/07A priority Critical patent/RU2470395C2/en
Publication of RU2010152157A publication Critical patent/RU2010152157A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2470395C2 publication Critical patent/RU2470395C2/en

Links

Landscapes

  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Compounds Of Iron (AREA)

Abstract

FIELD: physics, nuclear.
SUBSTANCE: invention relates to materials for protection from ionising radiations and can be used in atomic and radiochemical industry, as well as in naval and aerospace industry for protecting service personnel and the environment. The composite material for radiation shielding contains, as components, finely dispersed activated and modified haematite (filler) with particle size of up to 80 mcm and aluminium metal (matrix), with the following ratio of components, wt %: aluminium metal 61-85, finely dispersed activated and modified haematite 15-39.
EFFECT: high mechanical strength of the material and possibility for use thereof as radiation shielding material which operates at temperatures of up to 550°C and external loads of up to 710 MPa and is capable of providing biological protection from gamma-rays with energy of up to 1,2 MeV (60Co) and absorbed dose of up to 1019 Gy.
5 tbl

Description

Изобретение относится к материалам для защиты от ионизирующих излучений в атомной, радиохимической промышленности, военно-морском флоте, авиакосмической промышленности, обслуживающего персонала и окружающей среды.The invention relates to materials for protection against ionizing radiation in the nuclear, radiochemical industry, navy, aerospace industry, maintenance personnel and the environment.

Известен композиционный материал, содержащий матрицу из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний или их сплавы и 20-80 об.% упрочнителя, выполненного в виде армирующих нановолокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода (Патент РФ №2374355, МПК7 С22С 49/14, В82В 1/00. Композиционный материал. / В.А.Жабрев, В.Н.Горбачев, М.Э.Лиснянски. - заявка №2008144225/02; заявл. 01.11.2008; опубл. 27.11.2009. БИПМ №33).Known composite material containing a matrix of a metal selected from the group consisting of aluminum, magnesium or their alloys and 20-80 vol.% Hardener made in the form of reinforcing nanowires of aluminum oxide coated with an amorphous carbon film (RF Patent No. 2374355, IPC 7 C22C 49/14, В82В 1/00. Composite material / V.A. Zhabrev, V. N. Gorbachev, M. E. Lisnyanski. - application No. 2008144225/02; application. 01.11.2008; published on 11.27.2009. BIPM No. 33).

Недостатком композиционного материала является его низкие радиационно-защитные характеристики по отношению к высокоэнергетическому гамма-излучению.The disadvantage of the composite material is its low radiation-protective characteristics with respect to high-energy gamma radiation.

Наиболее близким, принятым за прототип, по технической сущности к заявляемому изобретению является композиционный материал для радиационной защиты, включающий операцию по введению в армирующие матрицы тонкодисперсного железосодержащего наполнителя, отличающийся тем, что в качестве армирующего используют металлический алюминий, а наполнителя - механоактивированный высокодисперсный железосодержащий гематитовый концентрат с размером частиц до 5 мкм при следующем соотношении компонентов (мас.%): алюминий металлический 20-60, гематитовый концентрат 40-80 (Заявка на изобретение РФ №2001119709/06 (020835), МПК7 G21F 1/10. Композиционный материал для радиационной защиты. / О.А.Маракин, В.И.Павленко, И.И.Кирияк, А.А.Лысенко, П.В.Матюхин. - заявка №2001119709/06; заявл. 16.07.2001; опубл. 20.02.2002. БИПМ №5).The closest adopted as a prototype, in technical essence to the claimed invention is a composite material for radiation protection, including the operation of introducing finely dispersed iron-containing filler into reinforcing matrices, characterized in that metal aluminum is used as reinforcing, and mechanically activated finely dispersed iron-containing hematite concentrate is used as a filler with a particle size of up to 5 microns in the following ratio of components (wt.%): aluminum metal 20-60, hematite concentrate 40-80 (Application for invention of the Russian Federation No. 2001119709/06 (020835), IPC 7 G21F 1/10. Composite material for radiation protection. / OA Marakin, V. I. Pavlenko, I. I. Kiriyak, A .A. Lysenko, P.V. Matyukhin. - application No. 2001119709/06; application. 16.07.2001; publ. 02.20.2002. BIPM No. 5).

К недостаткам известного композиционного материала для радиационной защиты относятся его низкая механическая прочность, что определяет материал как неспособный нести конструкционные нагрузки. Это объясняется недостаточной совместимостью механоактивированного высокодисперсного железосодержащего гематитового концентрата с металлическим алюминием.The disadvantages of the known composite material for radiation protection include its low mechanical strength, which defines the material as incapable of bearing structural loads. This is explained by the insufficient compatibility of mechanically activated finely dispersed iron-containing hematite concentrate with aluminum metal.

Целью изобретения является повышение механической прочности композиционного материала для радиационной защиты.The aim of the invention is to increase the mechanical strength of the composite material for radiation protection.

Поставленная цель достигается тем, что композиционный материал для радиационной защиты содержит в качестве составляющих компонентов высокодисперсный активировано-модифицированный гематит (наполнитель) с размером частиц до 80 мкм и металлический алюминий (матрица) при следующем отношении компонентов, мас.%:This goal is achieved in that the composite material for radiation protection contains highly active activated-modified hematite (filler) with a particle size of up to 80 μm and metal aluminum (matrix) as components, in the following ratio of components, wt.%:

Алюминий металлическийAluminum metal 61-8561-85 Высокодисперсный активировано-модифицированныйFine Activated Modified гематитhematite 15-3915-39

В качестве матрицы используется металлический алюминий плотностью 2700 кг/м3 с содержанием основного элемента А1 не менее 99,95%.As a matrix, metallic aluminum with a density of 2700 kg / m 3 with a content of the main element A1 of at least 99.95% is used.

В качестве наполнителя используется высокодисперсный гематитовый концентрат Яковлевского месторождения КМА с плотностью 4860 кг/м3 фракции до 80 мкм, в том числе фракции до 5 мкм в количестве до 25 мас.%, имеющий следующий химический (табл.1) и минеральный состав (табл.2):A highly dispersed hematite concentrate of the Yakovlevsky KMA deposit with a density of 4860 kg / m 3 fractions up to 80 microns, including fractions up to 5 microns in an amount up to 25 wt.%, Having the following chemical (table 1) and mineral composition (table .2):

Таблица 1Table 1 Химический состав гематитового железорудного концентрата Яковлевского месторождения КМА (мас.%)The chemical composition of the hematite iron ore concentrate of the Yakovlevsky KMA deposit (wt.%) 2О3 Fe 2 O 3 FeOFeO SiO2 SiO 2 Al2O3 Al 2 O 3 CaOCao MgOMgO K2ОK 2 O Na2ONa 2 O 66,6266.62 28,1528.15 4,414.41 0,170.17 0,160.16 0,290.29 0,090.09 0,110.11

Таблица 2table 2 Минеральный состав гематитового железорудного концентрата Яковлевского месторождения КМА (мас.%)The mineral composition of the hematite iron ore concentrate of the Yakovlevsky KMA deposit (wt.%) ГематитHematite МагнетитMagnetite СиликатыSilicates КварцQuartz КарбонатыCarbonates 93,593.5 3,33.3 0,50.5 2,52.5 0,20.2

Активирование наполнителя достигается путем гидроксилирования поверхности его частиц с помощью одноименных с дисперсной фазой ионов Fe3+ адсорбированных из водного раствора хлорида железа (FeCl3·6Н20). Модифицирование активированного наполнителя достигается адсорбцией ионов алюминия на поверхности его частиц из водного раствора хлорида алюминия (AlCl3·6Н20) за счет сил электростатического взаимодействия с заряженными активными центрами частиц и ион-дипольного взаимодействия с кислородом гидроксильных групп поверхности активированных частиц наполнителя. В результате процесса модифицирования происходит привитие на поверхности частиц активированного наполнителя микрослоя алюминиевой оболочки в виде оксида алюминия. В данной композиции обеспечивается смачивание модифицированного гематита расплавом алюминия и его повышенное адгезионное взаимодействие с наполнителем.Activation of the filler is achieved by hydroxylating the surface of its particles using Fe 3+ ions of the same name with the dispersed phase adsorbed from an aqueous solution of iron chloride (FeCl 3 · 6H 2 0). Modification of the activated filler is achieved by adsorption of aluminum ions on the surface of its particles from an aqueous solution of aluminum chloride (AlCl 3 · 6H 2 0) due to the forces of electrostatic interaction with charged active centers of the particles and ion-dipole interaction of the hydroxyl groups of the surface of the activated filler particles with oxygen. As a result of the modification process, grafting on the surface of the particles of the activated filler leads to a micro-layer of an aluminum shell in the form of aluminum oxide. This composition provides wetting of the modified hematite with aluminum melt and its increased adhesive interaction with the filler.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав композиционного материала для радиационной защиты отличается от известного введением нового компонента, а именно: высокодисперсного активировано-модифицированного гематита. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the claimed composition of the composite material for radiation protection is different from the known introduction of a new component, namely, highly dispersed activated-modified hematite. Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "novelty."

Количественное содержание компонентов предлагаемого и известного материалов приведено в табл.3.The quantitative content of the components of the proposed and known materials are given in table.3.

Таблица 3Table 3 Составы материаловMaterial Compositions КомпонентComponent Содержание, мас.%Content, wt.% Предлагаемый материалSuggested material Известный материал (прототип)Known material (prototype) 1one 22 33 4four 55 ГематитHematite 15fifteen 50fifty 7070 7575 8080 6060 Алюминий металлическийAluminum metal 8585 50fifty 30thirty 2525 20twenty 4040

Анализ прототипа показал, что введенные в заявляемое решение вещества, такие как металлический алюминий и гематитовый концентрат, известны. Композиционный материал на основе таких компонентов не обладает невысокими показателями механической прочности, какими обладает композиционный материал для радиационной защиты на основе компонентов, представленных в заявляемом решении (табл.4), а именно: на 33,5% повышается предел прочности на сжатие, на 39,5% повышается предел прочности на изгиб, на 19,5% повышается предел прочности на растяжение. Таким образом, заявляемый состав компонентов придает композиционному материалу для радиационной защиты новые, более высокие показатели механической прочности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «существенные отличия».Analysis of the prototype showed that the substances introduced into the claimed solution, such as metallic aluminum and hematite concentrate, are known. A composite material based on such components does not have low mechanical strength indices that a composite material for radiation protection has on the basis of the components presented in the claimed solution (Table 4), namely: the compressive strength increases by 33.5%, by 39 , 5% increases the tensile strength in bending, the tensile strength increases by 19.5%. Thus, the claimed composition of the components gives the composite material for radiation protection new, higher indicators of mechanical strength, which allows us to conclude that the proposed solution meets the criterion of "significant differences".

Таблица 4Table 4 Свойства композиционного материала для радиационной защитыProperties of composite material for radiation protection ПоказательIndicator Содержание, мас.%Content, wt.% Предлагаемый материалSuggested material Известный материал (прототип)Known material (prototype) 1one 22 33 4four 55 Предел прочности на сжатие, МПаThe limit of compressive strength, MPa 9494 493493 710710 341341 8787 472472 Предел прочности на изгиб,Bending strength 4545 168168 263263 7979 3232 159159 МПаMPa Предел прочности наTensile strength 6161 164164 195195 102102 4040 157157 растяжение, МПаtensile MPa Линейный коэффициентLinear coefficient ослабления (µ) гамма-attenuation (µ) gamma излучения, см-1:radiation, cm -1 : Е=0,66 МэВ (137Cs)E = 0.66 MeV ( 137 Cs) 0.170.17 0.250.25 0.370.37 0.440.44 0.510.51 0.350.35 Е=1,22 МэВ (60Со)E = 1.22 MeV ( 60 Co) 0.100.10 0.150.15 0.170.17 0.190.19 0.200.20 0.160.16

Использование высокодисперсного активировано-модифицированного гематита с размером частиц более 80 мкм приводит к возрастанию пористости композиционного материала для радиационной защиты, что приводит к значительному снижению его механической прочности.The use of highly dispersed activated-modified hematite with a particle size of more than 80 μm leads to an increase in the porosity of the composite material for radiation protection, which leads to a significant decrease in its mechanical strength.

Заявляемый композиционный материал может быть использован в качестве радиационно-защитного материала, работающего при температурах до 550°С и внешних нагрузках до 710 МПа, способного обеспечить биологическую защиту от гамма-излучения с энергией до 1,2 МэВ (60Со) и поглощенной дозой до 1019 Гр.The inventive composite material can be used as radiation protective material, operating at temperatures up to 550 ° C and external loads up to 710 MPa, capable of providing biological protection against gamma radiation with an energy of up to 1.2 MeV ( 60 Co) and an absorbed dose of up to 10 19 Gr.

Claims (1)

Композиционный материал для радиационной защиты, включающий операцию по введению в армирующие матрицы тонкодисперсного железосодержащего наполнителя, где в качестве армирующего используют металлический алюминий, отличающийся тем, что в качестве наполнителя материал содержит высокодисперсный активировано-модифицированный гематит с размером частиц до 80 мкм в следующем отношении компонентов, мас.%:
алюминий металлический 61-85 высокодисперсный активировано-модифицированный гематит 15-39
A composite material for radiation protection, including the operation of introducing a finely dispersed iron-containing filler into the reinforcing matrices, where metal aluminum is used as the reinforcing material, characterized in that the filler material contains highly dispersed activated-modified hematite with a particle size of up to 80 μm in the following ratio of components, wt.%:
aluminum metal 61-85 fine activated-modified hematite 15-39
RU2010152157/07A 2010-12-20 2010-12-20 Composite material for radiation shielding RU2470395C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010152157/07A RU2470395C2 (en) 2010-12-20 2010-12-20 Composite material for radiation shielding

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010152157/07A RU2470395C2 (en) 2010-12-20 2010-12-20 Composite material for radiation shielding

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010152157A RU2010152157A (en) 2012-06-27
RU2470395C2 true RU2470395C2 (en) 2012-12-20

Family

ID=46681554

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010152157/07A RU2470395C2 (en) 2010-12-20 2010-12-20 Composite material for radiation shielding

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2470395C2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1060734A (en) * 1990-10-13 1992-04-29 吴良 The material of filling anti-radiation building barrier and manufacture method
RU2081465C1 (en) * 1994-09-16 1997-06-10 Павленко Вячеслав Иванович Protective container
US20060090872A1 (en) * 2002-10-25 2006-05-04 Jean-Yves Fortin Aluminum alloy-boron carbide composite material
JP2007040914A (en) * 2005-08-05 2007-02-15 Nippon Light Metal Co Ltd Aluminum powder alloy composite for absorbing neutron, manufacturing method therefor, and basket manufactured using the same
KR20070026516A (en) * 2004-04-22 2007-03-08 알칸 인터내셔널 리미티드 Improved recycling method for al-b4c composite materials

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1060734A (en) * 1990-10-13 1992-04-29 吴良 The material of filling anti-radiation building barrier and manufacture method
RU2081465C1 (en) * 1994-09-16 1997-06-10 Павленко Вячеслав Иванович Protective container
US20060090872A1 (en) * 2002-10-25 2006-05-04 Jean-Yves Fortin Aluminum alloy-boron carbide composite material
KR20070026516A (en) * 2004-04-22 2007-03-08 알칸 인터내셔널 리미티드 Improved recycling method for al-b4c composite materials
JP2007040914A (en) * 2005-08-05 2007-02-15 Nippon Light Metal Co Ltd Aluminum powder alloy composite for absorbing neutron, manufacturing method therefor, and basket manufactured using the same

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010152157A (en) 2012-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AbuAlRoos et al. Conventional and new lead-free radiation shielding materials for radiation protection in nuclear medicine: A review
BAYKAL et al. An investigation on radiation shielding properties of borosilicate glass systems
Al-Buriahi et al. Role of heavy metal oxides on the radiation attenuation properties of newly developed TBBE-X glasses by computational methods
Fu et al. The advancement of neutron shielding materials for the storage of spent nuclear fuel
Abd Elwahab et al. New shielding composite paste for mixed fields of fast neutrons and gamma rays
Abdulrahman et al. Introduction to neutron-shielding materials
Mirji et al. 24. Radiation shielding materials: A brief review on methods, scope and significance
US10662508B2 (en) Radiation shielding and mitigating alloys, methods of manufacture thereof and articles comprising the same
Okonkwo et al. Development, characterization, and properties of polymeric nanoarchitectures for radiation attenuation
Jing et al. Research progress of rare earth composite shielding materials
Mortazavi et al. Design and fabrication of high density borated polyethylene nanocomposites as a neutron shield
Dejangah et al. X-ray attenuation and mechanical properties of tungsten-silicone rubber nanocomposites
Matyukhin Modification of the hematite filling surface of new composition material during high pressure testing
Khan et al. Development of theoretical-computational model for radiation shielding
Durante et al. Cytogenetic effects of high-energy iron ions: dependence on shielding thickness and material
Abdulrahman et al. Micro and nanostructured composite materials for neutron shielding applications
Mesbahi et al. Investigation of fast neutron shielding properties of new polyurethane-based composites loaded with BC, BeO, WO, ZnO, and GdO micro-and nanoparticles
Mahmoud et al. The influence of heavy metallic wastes on the physical properties and gamma-ray shielding performance of ordinary concrete: Experimental evaluations
Gökmen et al. Impact of the gamma and neutron attenuation behaviors on the functionally graded composite materials
Wu et al. Comparative investigation of physical, X-ray and neutron radiation shielding properties for B2O3-MnO2-CdO borate glasses
RU2470395C2 (en) Composite material for radiation shielding
Zeng et al. Development of polymer composites in radiation shielding applications: a review
Cherkashina et al. Gamma radiation attenuation characteristics of polyimide composite with WO2
Mehelli et al. Outstanding thermal neutrons shields based on epoxy, UHMWPE fibers and boron carbide particles
Mahmoud et al. A close look for the γ-ray attenuation capacity and equivalent dose rate form composites based epoxy resin: An experimental study

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner