RU2784621C1 - Способ изготовления композиционного борсодержащего нейтронно-защитного конструкционного материала - Google Patents

Способ изготовления композиционного борсодержащего нейтронно-защитного конструкционного материала Download PDF

Info

Publication number
RU2784621C1
RU2784621C1 RU2022111986A RU2022111986A RU2784621C1 RU 2784621 C1 RU2784621 C1 RU 2784621C1 RU 2022111986 A RU2022111986 A RU 2022111986A RU 2022111986 A RU2022111986 A RU 2022111986A RU 2784621 C1 RU2784621 C1 RU 2784621C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
boron
powdered
range
neutron
particles
Prior art date
Application number
RU2022111986A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Иванович Малинов
Дмитрий Александрович Кайдаров
Ольга Игоревна Дегтярева
Андрей Алексеевич Дорофеев
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Application granted granted Critical
Publication of RU2784621C1 publication Critical patent/RU2784621C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к технологии изготовления нейтронно-защитных материалов и может быть использовано для радиационной защиты электронных приборов, обслуживающего персонала и в гражданском строительстве. Способ получения композиционного борсодержащего нейтронно-защитного конструкционного материала включает предварительное смешение порошкообразных компонентов между собой при следующем содержании ингредиентов, % масс.: полипропилен 20-24, порошкообразный бор – остальное, при этом степень кристалличности в диапазоне величин 0,43-0,52 и удельная поверхность частиц в диапазоне величин 7-12 м2/г; перемешивание в механическом смесителе в режиме вращения с металлическими шарами со скоростью не более 20 об/мин, при регулярном встряхивании с кратностью повторений через каждые 20-30 мин; последующее прессование полученной смеси при температуре в диапазоне 200±5°C и удельном давлении 250-300 МПа/см2 и охлаждение. Изобретение обеспечивает повышение степени нейтронной защиты за счет высокого наполнения бором и получение повышенной конструкционной плотности и механической прочности, обеспечивающей стойкость к последующей механической обработке. 1 ил., 1 табл.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области технологий изготовления нейтронно-защитных материалов, и может быть использовано для радиационной защиты электронных приборов, обслуживающего персонала и в гражданском строительстве.
Актуальность решаемой проблемы основана на необходимости подбора специфических условий формования высоконаполненных композиционных материалов, поскольку реализация в формуемой массе равномерно распределенного армирующего наполнителя, выполняющего функцию нейтронно-защитной составляющей материала, обеспечивающего его целевую пригодность, весьма затруднительна.
Из уровня техники известен способ получения композиционного борсодержащего материала для радиационной защиты различных приборов (патент РФ 2530002, МПК G21F 1/10, публ. 10.10.2014 г.), согласно которому производят предварительное смешение порошкообразных компонентов между собой, последующее их формование при температуре и давлении и охлаждение с получением готового материала с требуемым уровнем защитных свойств.
Однако исходным материалом для формования является композиция с недостаточно высоким содержанием двухсоставного порошкообразного наполнителя, количества которого не позволяет достичь заданного уровня конструкционной плотности и требуемой степени нейтроннозашитных свойств готового материала, обеспечиваемой, прежде всего, степенью наполнения композита.
Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка эффективного способа изготовления нейтронно-защитного композиционного высоконаполненного материала с высокой степенью радиационной защиты.
Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является обеспечение повышения степени нейтронной защиты и получение повышенной конструкционной плотности и заданного уровня механической прочности, обеспечивающей стойкость к механической обработке.
Указанные задачи и технический результат обеспечиваются тем, что в отличие от известного способа получения композиционного борсодержащего нейтронно-защитного конструкционного материала, включающего предварительное смешение порошкообразных компонентов между собой, последующее их формование при температуре и давлении и охлаждение, согласно изобретению, в качестве исходных материалов для формования используют порошкообразную полимерную матрицу в виде соединения из группы полиолефинов, например, полипропилена, а в качестве наполнителя - предварительно высушенный порошкообразный мелкодисперсный бор, полученный плазмохимическим способом, состоящий из частиц кристаллической и аморфной фаз бора при следующем содержании ингредиентов, % масс.:
полипропилен 20-24,
порошкообразный бор остальное,
при степени кристалличности в диапазоне величин: 0,43-0,52 и удельной поверхности частиц в диапазоне 7-12 м2/г, которые перемешивают в механическом смесителе в режиме вращения с металлическими шарами со скоростью не более 20 об/мин., при регулярном встряхивании барабана с кратностью повторений через каждые 20-30 мин, с последующим прессованием полученной смеси при температуре в 205±5°С и удельном давлении в диапазоне 250-300 МПа/см2.
Предлагаемый способ поясняется следующим образом.
На фиг. представлено фото контрольных образцов из композиционного борсодержащего материала (содержание бора 78%) после механических испытаний на сжатие.
Способ изготовления высоконаполненного композиционного материала на основе порошков полиолефина и бора включает в себя несколько этапов:
- на первом этапе проводят подготовку компонентов:
порошок бора термообрабатывают при 110°С в течение 5 часов. При этих условиях вся влага, способствующая агломерации частиц, удаляется при периодическом встряхивании высушиваемой смеси и разрушаются комки, имеющиеся в материале в состоянии поставки;
порошкообразный полимер - полипропилен - подвергают фракционированию для выделения рабочей фракции не более 315 мкм;
- на втором этапе 12 г порошкообразного полипропилена и 47 г бора перемешивают в смесителе с металлическими шарами (300 г), взятыми в соотношении порошкообразная смесь/ металлические шары 1:5, в течение 5 часов при скорости вращения смесителя не более 20 об/мин. часов при регулярном встряхивании барабана с кратностью повторений через каждые 20-30 мин. На данном этапе происходит равномерное механическое перемешивание компонентов смеси с получением гомогенного состава формуемой смеси с требуемой степенью дисперсности и отсутствием комкования, что достигается перемешиванием в течение необходимого для этого технологического времени (5 ч.) и при использовании шаров в смесителе (от 0,5 до 1,5 см в диаметре), соударение которых с возникающими комками и агломератами формуемой массы способствует их разрушению;
- на третьем этапе из приготовленной смеси полипропилена и бора, из которой предварительно извлекают металлические шары, прессуют целевую заготовку методом прямого прессования при температуре 205±5°С и удельном давлении в диапазоне 250-300 МПа/см2. При этих условиях обеспечивается получение целевой заготовки с заданным комплексом характеристик. Температура процесса подобрана экспериментально из условия получения технологического расплава полимерной матрицы. При горячем прессовании в указанном диапазоне давления и температуры обеспечивается полноценное соединение и распределение в полимерной матрице порошкообразного наполнителя, количество которого значительно превышает количество полимерной основы. Данное распределение проблематично обеспечить на практике из-за возникновения комкования на этапе смешения и недостаточного смачивания на этапе прессования при дефиците связующего.
Порошкообразный наполнитель представляет собой порошок бора, частицы которого находятся в различных фазовых состояниях, характеризующихся соотношением кристаллической и аморфной фаз соответственно 0,43-0,52:0,57-0,48, и имеющих площадь удельной поверхности частиц от 7 до 12 м2/г, что на этапе прессования проявляется в качестве фактора, оптимизирующего оформление изделия заданной плотности при повышенной механической прочности. Из эксперимента выявлено, что при наличии кристаллической фазы в массе порошкообразного бора свыше указанного ранее фазового состава формуемая масса не поддается требуемой механической обработке и не оформляется в готовое изделие, а при выходе за пределы диапазона указанного фазового соотношения для аморфной составляющей проблематично обеспечить требуемую плотность композиционного материала. Превышение удельной поверхности частиц более 12 м2/г препятствует качественному смешению ингредиентов композиционного материала и, как следствие, оформлению изделия заданной плотности с достаточной механической прочностью. Уменьшение удельной поверхности частиц менее 7 м2/г приводит к неудовлетворительному качеству оформления поверхности изделия при механической обработке.
Следует отметить, что известны композиционные материалы со связующим полиолефином, например, полипропиленом, наполненные кристаллическим бором с размерами частиц 63-250 мкм или аморфным бором с удельной поверхностью частиц не более 15 м2/г в соотношении от 74 до 80% масс. наполнителя и 26-20% масс. связующего полиолефина. Однако эти материалы, как известно из проведенных экспериментов, не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Так, наполненные аморфным бором не позволяют достичь требуемых значений плотности. Эксперименты с применением укрупненных частиц аморфного бора также не привели к увеличению плотности композиционного материала до технологически приемлемых значений. Композиты, наполненные кристаллическим бором, не удовлетворяют требованиям по содержанию примесей и механической обработке для получения деталей требуемой формы.
Эксперименты с применением измельченного до размеров не более 15 м2/г кристаллического бора дали возможность получения композиционного материала требуемой плотности. Однако содержание примесей в наполнителе превышает допустимые нормы, причем дополнительное рафинирование наполнителя не уменьшает содержание примесей до номинальных. Наполнитель, обеспечивший требуемую плотность, имел степень кристалличности равную ≈0,50. Поэтому потребовалось выявить условия получения бора с минимальным содержанием примесей и с ориентировочной степенью кристалличности, равной ≈0,50.
Известно, что на практике методами высокотемпературной обработки исходных материалов или электрохимическим методом получают порошкообразный наполнитель - бор, имеющий кристаллическую структуру наряду с аморфной составляющей, но количество аморфной фазы незначительно и не влияет на технологические свойства наполнителя. При изготовлении порошка кристаллического бора истиранием или дроблением спеков бора или поликристаллов электролизного бора не удается получить требуемое качество - в процессе измельчения частицы рабочих органов применяемого оборудования (карбид вольфрама, железо, никель и др. примеси) вовлекаются в порошок бора. Это негативно сказывается на химическом составе наполнителя, что недопустимо.
Как показали проведенные исследования, искомые условия получения наполнителя со строго заданным составом аморфной и кристаллической фаз и минимальным содержанием примесей обеспечиваются плазмохимическим процессом получения бора. Оптимально отвечает требованиям получения заданной плотности и прочности готового композиционного материала порошкообразный бор, изготовленный плазмохимическим способом, в результате которого обеспечиваются требуемые степень кристалличности (0,43-0.52) и величина удельной поверхности частиц наполнителя (бор) 7-12 м2/г при выборе необходимого технологического режима плазмохимического синтеза с температурой плазмы в диапазоне 3500-5000°С
В результате взаимодействия указанных факторов достигается получение формуемой массы (порошкообразное связующее - порошкообразный наполнитель в аморфно-кристаллическом фазовом состоянии), технологически пригодной для прессования по экспериментально подобранному технологическому режиму (давление, температура) и для последующей механической обработки отпрессованного изделия.
В результате экспериментов получены контрольные образцы из композиционного борсодержащего материала. Подготовленные контрольные образцы подвергали испытаниям для проверки на соответствия заданным требованиям.
На фиг. 1 представлено фото образцов из композиционного борсодержащего материала после механических испытаний на сжатие.
Результаты испытаний контрольных образцов сведены в таблице 1.
Как показали исследования, использование порошка бора с частицами в кристаллической и аморфной фазах при изготовлении борсодержащего композиционного материала указанным способом позволило получить следующий технический результат: обеспечено повышение степени нейтронной защиты за счет высокого содержания бора, достигнуты повышенная конструкционная плотность и заданный уровень механической прочности, обеспечивающий стойкость к последующей механической обработке готового материала.
Возможность промышленной реализации предлагаемого способа подтверждается следующим примером конкретного исполнения, где в качестве наполнителя использован порошок бора, имеющий в составе ряд его изотопов.
Пример 1. Предлагаемый способ получения композиционного борсодержащего нейтронно-защитного конструкционного материала был опробован в лабораторных условиях при использовании типового лабораторного оборудования.
Способ изготовления высоконаполненного композиционного материала на основе порошков полиолефина и бора включает в себя несколько этапов:
- на первом этапе проводят подготовку компонентов:
порошок бора термообрабатывают при 110°С в течение 5 часов. При этих условиях вся влага, способствующая агломерации частиц, удаляется при периодическом встряхивании высушиваемой смеси и разрушаются комки, имеющиеся в материале в состоянии поставки;
порошкообразный полимер - полипропилен - подвергают фракционированию для выделения рабочей фракции не более 315 мкм;
- на втором этапе 12 г порошкообразного полипропилена фракции не более 315 мкм и 47 г бора перемешивают в смесителе с металлическими шарами (300 г) взятыми в соотношении порошкообразная смесь/ металлические шары 1:5, в течение 5 часов при скорости вращения смесителя не более 20 об/мин. часов при регулярном встряхивании барабана с кратностью повторений через каждые 20-30 мин. На данном этапе происходит равномерное механическое перемешивание компонентов смеси с получением гомогенного состава формуемой смеси с требуемой степенью дисперсности и отсутствием комкования, что достигается перемешиванием в течение необходимого для этого технологического времени (5 ч.) и при использовании шаров в смесителе (от 0,5 до 1,5 см в диаметре), соударение которых с возникающими комками и агломератами формуемой массы способствует их разрушению:
- на третьем этапе из приготовленной смеси полипропилена и бора, из которой предварительно извлекают металлические шары, прессуют целевую заготовку методом прямого прессования при температуре 205±5°С и давлении 5000 МПа.
При этих условиях обеспечивается получение целевой заготовки с заданным комплексом характеристик.
Температура процесса подобрана экспериментально из условия получения технологического расплава полимерной матрицы. При горячем прессовании в указанном диапазоне температуры и давления обеспечивается полноценное соединение и распределение в полимерной матрице порошкообразного наполнителя, количество которого значительно превышает количество полимерной основы. Данное распределение проблематично обеспечить на практике из-за возникновения комкования на этапе смешения, и недостаточного смачивания на этапе прессования при дефиците связующего. Также необходимо отметить, что высокая абразивность порошкообразного бора, полученного плазмохимическим способом, частицы которого находятся в различных фазовых состояниях, характеризующихся соотношением кристаллической и аморфной фаз соответственно 0,43-0,52:0,57-0,48 не позволяет для достижения равномерного распределения наполнителя в формуемой массе применить метод экструзии (как это применяется в традиционных технологиях), так как абразивные частицы бора вовлекают в массу материала примесные химические вещества с рабочей поверхности экструдера, содержание которых в композиционном материале недопустимо.
Порошкообразный наполнитель представляет собой порошкообразный бор. полученный плазмохимическим способом, частицы которого находятся в различных фазовых состояниях, характеризующихся соотношением кристаллической и аморфной фаз соответственно 0,43-0,52:0,57-0,48, что на этапе прессования проявляется в качестве фактора, оптимизирующего оформление изделия повышенной плотности и механической прочности, обеспечивающей стойкость к последующей механической обработке.
Из эксперимента выявлено, что при наличии кристаллической фазы в массе порошкообразного бора свыше указанного ранее фазового состава формуемая масса не поддается требуемой механической обработке и не оформляется в готовое изделие, а при выходе за пределы диапазона указанного фазового соотношения для аморфной составляющей проблематично обеспечить требуемую плотность композиционного материала. В результате взаимодействия указанных факторов достигается получение формуемой массы (порошкообразное связующее - порошкообразный наполнитель в аморфно-кристаллическом фазовом состоянии), технологически пригодной для прессования по экспериментально подобранному технологическому режиму (давление, температура) и для последующей механической обработки отпрессованного изделия.
Как показали эксперименты, использование порошкообразного бора с частицами в кристаллической и аморфной фазах при изготовлении борсодержащего композиционного материала предлагаемым способом позволило получить технический результат, заключающийся в обеспечении повышенной конструкционной плотности за счет высокого наполнения порошком бора с указанными выше свойствами и, как следствие, повышении степени нейтронной зашиты, а также в обеспечении заданного уровня механической прочности готового нейтронно-защитного материала.
Полученные образцы материала подвергались контрольным испытаниям, результаты которых приведены в таблице 1.
Как показали проведенные испытания, при реализации предлагаемого способа был получен композиционный борсодержащий нейтронно-защитный конструкционный материал с высокими физико-механическими и нейтронно-защитными свойствами.
Figure 00000001

Claims (3)

  1. Способ получения композиционного борсодержащего нейтронно-защитного конструкционного материала, включающий предварительное смешение порошкообразных компонентов между собой, последующее их формование при температуре и давлении и охлаждение, отличающийся тем, что в качестве исходных материалов для формования используют порошкообразную полимерную матрицу в виде соединения из группы полиолефинов, например полипропилена, а в качестве наполнителя - предварительно высушенный порошкообразный мелкодисперсный бор, полученный плазмохимическим способом, состоящий из частиц кристаллической и аморфной фаз бора при следующем содержании ингредиентов, % масс.:
  2. полипропилен 20-24 порошкообразный бор остальное,
  3. при степени кристалличности в диапазоне величин 0,43-0,52 и удельной поверхности частиц в диапазоне величин 7-12 м2/г, которые перемешивают в механическом смесителе в режиме вращения с металлическими шарами со скоростью не более 20 об/мин, при регулярном встряхивании барабана с кратностью повторений через каждые 20-30 мин с последующим прессованием полученной смеси при температуре в диапазоне 200±5°С и удельном давлении в диапазоне 250-300 МПа/см2.
RU2022111986A 2022-04-28 Способ изготовления композиционного борсодержащего нейтронно-защитного конструкционного материала RU2784621C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2784621C1 true RU2784621C1 (ru) 2022-11-29

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2148062C1 (ru) * 1998-09-03 2000-04-27 Комбинат "Электрохимприбор" Способ приготовления полимерной композиции
RU2197507C2 (ru) * 2001-01-17 2003-01-27 Государственное унитарное предприятие комбинат "Электрохимприбор" Способ приготовления высоконаполненной боросодержащей композиции
RU2260213C1 (ru) * 2003-12-24 2005-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Комбинат "Электрохимприбор" Полимерная композиция для биологической защиты от нейтронного излучения
RU2509818C1 (ru) * 2012-11-30 2014-03-20 Открытое акционерное общество "Инженерно-маркетинговый центр Концерна "Вега" ОАО "ИМЦ Концерна "Вега" Способ получения композиционного материала
RU2522673C2 (ru) * 2012-08-06 2014-07-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" Пастообразный материал для защиты от нейтронного излучения и способ приготовления пастообразного материала для защиты от нейтронного излучения
CN112552600A (zh) * 2021-02-23 2021-03-26 中广核高新核材科技(苏州)有限公司 滚塑用中子屏蔽材料及具有中子屏蔽效果的滚塑制品

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2148062C1 (ru) * 1998-09-03 2000-04-27 Комбинат "Электрохимприбор" Способ приготовления полимерной композиции
RU2197507C2 (ru) * 2001-01-17 2003-01-27 Государственное унитарное предприятие комбинат "Электрохимприбор" Способ приготовления высоконаполненной боросодержащей композиции
RU2260213C1 (ru) * 2003-12-24 2005-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Комбинат "Электрохимприбор" Полимерная композиция для биологической защиты от нейтронного излучения
RU2522673C2 (ru) * 2012-08-06 2014-07-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" Пастообразный материал для защиты от нейтронного излучения и способ приготовления пастообразного материала для защиты от нейтронного излучения
RU2509818C1 (ru) * 2012-11-30 2014-03-20 Открытое акционерное общество "Инженерно-маркетинговый центр Концерна "Вега" ОАО "ИМЦ Концерна "Вега" Способ получения композиционного материала
CN112552600A (zh) * 2021-02-23 2021-03-26 中广核高新核材科技(苏州)有限公司 滚塑用中子屏蔽材料及具有中子屏蔽效果的滚塑制品

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3051566A (en) Process for producing high density refractory bodies
EP3943468A1 (en) Filler, molded body, heat dissipating material
RU2784621C1 (ru) Способ изготовления композиционного борсодержащего нейтронно-защитного конструкционного материала
DE4141632A1 (de) Spritzgußfähige keramische und metallische Zusammensetzung und Verfahren zu deren Herstellung
CN110028327A (zh) 利用废铝镁碳砖变质层制作优质耐火原料和铝镁碳砖的方法
JP3820132B2 (ja) 焼結原料の事前処理方法
CN102491760A (zh) 一种用于耐火浇注料的造粒石墨的制备方法
KR102197354B1 (ko) 알루미늄 합금 폼 및 이의 제조방법
US2991176A (en) Method for making dental amalgams and product thereof
RU2550394C2 (ru) Алмазный поликристаллический композиционный материал с дисперсно-упрочненной добавкой
JPS6341509B2 (ru)
US2902363A (en) Method of treating powdered metal
JP7469901B2 (ja) 複合材の製造方法
DE102015206241B4 (de) SiC-Diamant-Kompositwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
RU2784450C1 (ru) Способ использования технологических отходов при приготовлении полимерных композиций
JP2023504761A (ja) 低分子量ポリテトラフルオロエチレン微粉末を調製するための押出プロセス
CN110015904A (zh) 利用废镁碳砖变质层制作优质耐火原料和镁碳砖的方法
US3146281A (en) Production of round particles of ceramic material
DE1920728A1 (de) Verfahren zur Verdichtung von Polyolefinen
JPS5953291B2 (ja) 熱可塑性樹脂の混練方法
CN113956610B (zh) 一种用于3d打印机的peek复合材料丝材的制备方法
KR102448377B1 (ko) 탄화규소 블랭크 제조방법 및 이에 의해 제조된 탄화규소 블랭크를 이용한 탄화규소 및 탄화규소 복합체 제조방법
JP2014227568A (ja) 焼結用造粒原料の製造方法
WO2021200725A1 (ja) 窒化ホウ素焼結体及びその製造方法、並びに複合体及びその製造方法
Duque et al. Microstructural investigation of PBX 9501: Comparing wet slurry and resonant acoustic mixing techniques