Доктор Хуо Чжипэн из Хэфэйского института Китайской академии наук разработал новые композиты B4C/HDPE, армированные наполнителем PbWO4, с настраиваемой микроструктурой. Благодаря точному регулированию микроструктуры наполнителей PbWO4 удалось добиться улучшенных синергетических характеристик радиационной защиты как от нейтронного, так и от гамма-излучения, а также выявить механизмы взаимосвязи между микроструктурой и термическими, механическими свойствами, радиационной защитой и сроком службы защитных композитов.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Composites Part A: Applied Science and Manufacturing.
В связи с быстрым развитием ядерной энергетики, лучевой терапии и освоением космоса значительно вырос спрос на радиационно-защитные материалы. Нейтронное и гамма-излучение — два распространённых вида ионизирующего излучения, которые представляют серьёзную опасность как для людей, так и для оборудования. Традиционные радиационно-защитные материалы, как правило, защищают только от одного вида излучения или обладают недостаточной механической прочностью и устойчивостью к старению. Таким образом, разработка композитных радиационно-защитных материалов, сочетающих в себе высокую эффективность защиты от излучения, отличные тепловые и механические свойства, а также долговечность, была ключевой задачей исследований.
В ходе работы команда учёных синтезировала наполнители PbWO₄ с различной микроструктурой в контролируемых условиях реакции и добилась получения наполнителей с различной микроскопической морфологией, таких как микронный палочковидный PbWO4-I, микронный сферический PbWO4-II и шероховатый микронный сферический PbWO4-III. Шероховатый сферический наполнитель PbWO₄-III микронного размера отличался повышенной удельной площадью поверхности, равномерным распределением частиц и лучшей дисперсией в полимерной матрице.
Такое микроструктурное усовершенствование улучшило межфазное соединение, что привело к повышению термической стабильности, улучшению механических свойств и устойчивости к ультрафиолетовому излучению. Атомы свинца и вольфрама в наполнителях PbWO₄ эффективно поглощают гамма-фотоны и быстрые нейтроны, а атомы бора в наполнителях B₄C обеспечивают высокое поглощение тепловых нейтронов. Таким образом, полученный композит обеспечивает улучшенную синергетическую защиту в широком диапазоне энергий нейтронов и гамма-излучения.
Эти результаты значительно превосходят показатели обычных материалов, которые, как правило, не обладают сочетанием синергетической защиты и надёжных механических характеристик.
По мнению команды исследователей, эта работа не только демонстрирует важность контроля микроструктуры при разработке композитных материалов, но и предлагает перспективную стратегию создания высокоэффективных материалов для радиационной защиты нового поколения.
