Борсодержащий нейтронозащитный материал



 


Владельцы патента RU 2550156:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) (RU)

Изобретение относится к нейтронозащитным материалам и может быть использовано, в частности, при капсулировании радиоактивных отходов, при создании защитных щитов. Борсодержащий материал с деформационной устойчивостью ΔL/L0=3,0÷7,5% при 600°С получают взаимодействием силиката натрия Na2O(SiO2)n в водном растворе едкого натра с декагидро-клозодекаборатом триметиламмония (Me3NH)2B10H10. Реакционный раствор кипятят до полного удаления триметиламина, образующегося в результате взаимодействия раствора едкого натра с (Me3NH)2B10H10, затем сушат, поднимая температуру вплоть до 300°С, получают материал, отвечающий брутто-формуле: [Na2O(SiO2)n]m[Na2B10H10]k, где: n - характеристика исходного силиката натрия через силикатный модуль, который варьируется в пределах 2,5÷3,0; m:k=7,0÷1,9, при этом связывание декагидро-клозодекаборатного аниона с атомами натрия как силиката натрия, так и едкого натра происходит за счет многоцентровых взаимодействий с образованием пространственных супрамолекулярных структур. Технический результат - получение нейтронозащитного материала без высоких энергозатрат и дополнительного оборудования. 1 табл.

 

Изобретение относится к области разработки теплостойкого неорганического борсодержащего материала, обладающего деформационной устойчивостью до 600°С, который может быть использован в народном хозяйстве и атомной промышленности. Сочетание высокой теплостойкости и способности бора поглощать тепловые нейтроны может быть востребовано при капсулировании радиоактивных отходов, а также в качестве защитных щитов, элементов одежды, удовлетворяющих требованиям охраны труда и в техногенных ситуациях.

Известен композиционный материал [RU 2278177], содержащий матрицу на основе металла или сплава и соединение бора в качестве наполнителя, при этом соединение бора содержит тетрагидро- или тетрагалогенборатный анион KatBX4, где Kat - катион металла или ониевый катион, В - бор, X - водород или галоген, при этом содержание соединения бора в матрице составляет 15÷50 об.%.

К недостаткам материала относится то, что агрегатное состояние данной композиции не позволяет ее использование для нейтронной защиты.

Еще одним недостатком материала является относительно низкая его теплостойкость, обусловленная наличием в матрице композита наполнителя, способного разлагаться в присутствии алюминиевого или магниевого сплавов, которые в свою очередь проявляют каталитическую активность при повышенных температурах.

Известен также нейтронозащитный материал [SU 1809692], состоящий из нитрида бора, дополнительно содержащий бор (1÷10 мас. %) и оксид магния (1÷10,2 мас. %). Материал имеет достаточно высокую теплопроводность после облучения при 600°С и предел прочности на изгиб 4,8÷9,7 кг/мм2.

К недостаткам материала относится многостадийность процесса получения вышеуказанного материала, сопровождающаяся высокими энергозатратами: перемешивание компонентов в течение 5 ч до получения однородной смеси, их формовку под давлением 300 кг/см2, собственно отжиг в атмосфере азота под давлением 1000 атм, причем инициирование реакции горения проводят нагреваемой вольфрамовой спиралью.

Вторым существенным недостатком является сложность аппаратурного оформления процесса.

Наиболее близким техническим решением является нейтронозащитный материал [SU 1804228] (прототип), содержащий химически связанный бор и, по меньшей мере, один тугоплавкий оксид. Особенностью материала является наличие в нем бора в виде нитрида и полиборида магния при следующем соотношении компонентов, мас. %: полиборид магния 5÷25, тугоплавкий оксид 10,5÷30, нитрид бора - остальное.

Материал по прототипу обладает радиационно-термической стойкостью в интервале температур 100÷600°С, при температуре 600°С относительное изменение геометрических размеров материала после облучения минимально.

Недостатком материала по прототипу является то, что достижение радиационно-термической стойкости материала обусловлено использованием в составе нитрида бора, который в свою очередь представляет собой тугоплавкое соединение с температурой плавления 2700°С, использование которого в производстве нейтронозащитного материала требует высоких энергетических затрат.

Неудачным является и выбор полиборида магния для насыщения материала по бору. Уменьшение его содержания в материале ниже заявленного снижает термическую стойкость материала, а повышение делает материал хрупким.

Изобретение направлено на изыскание борсодержащего нейтронозащитного материала, обладающего высокими эксплуатационными характеристиками, получение которого не требует высоких энергозатрат и дополнительного оборудования.

Технический результат достигается тем, что предложен борсодержащий нейтронозащитный материал, характеризующийся деформационной устойчивостью ΔL/L0=3,0÷7,5% при 600°С, который получают взаимодействием силиката натрия Na2O(SiO2)n в водном растворе едкого натра с декагидро-клозодекаборатом триметиламмония (Me3NH)2B10H10, реакционный раствор кипятят до полного удаления триметиламина, образующегося в результате взаимодействия раствора едкого натра с (Me3NH)2B10H10, затем сушат, поднимая температуру вплоть до 300°С, получают материал, отвечающий брутто-формуле:

где n - характеристика исходного силиката натрия через силикатный модуль, который варьируется в пределах 2,5÷3,0;

m:k=7,0÷1,9,

при этом связывание декагидро-клозо-декаборатного аниона с атомами натрия как силиката натрия, так и едкого натра происходит за счет многоцентровых взаимодействий с образованием пространственных супрамолекулярных структур.

Соотношение m:k выбирают исходя из того, что при значениях выше 7,0 взаимодействие силиката натрия Na2O(SiO2)n в водном растворе едкого натра с декагидро-клозо-декаборатом триметиламмония (Me3NH)2B10H10 не приводит к многоцентровым взаимодействиям с образованием пространственных супрамолекулярных структур, а в случае m:k ниже 1,5 указанное взаимодействие проходит с дефицитом щелочи, необходимой для удаления триметиламмониевого катиона, присутствие которого, в свою очередь, снижает термическую стабильность материала.

Величину силикатного модуля выбирают исходя из того, что при значениях ниже 2,5 количество образующихся супрамолекулярных структур не достаточно для обеспечения жесткости материала, а при значениях свыше 3,0 наблюдается полимеризация жидкого стекла (ЖС) с образованием твердой фазы.

Полное удаление триметиламина на стадии кипячения контролируют по исчезновению в ИК-спектрах раствора полосы валентных колебаний NH-групп.

Температура сушки определяется условиями полного завершения процесса поликонденсации силиката натрия, которая зависит от соотношения исходных компонентов в материале и обычно не превышает 300°С. Завершению процесса поликонденсации соответствует отсутствие потери массы на кривых термо-гравиметрического анализа.

Выбранные реагенты, их концентрации, растворители и соотношения обеспечивают образование гомогенных систем, в которых проходят реакции внедрения и поликонденсации, приводящие к образованию максимально однородных гелей, где молекулы аниона В10H102- и фрагменты цепи жидкого стекла с силоксановыми связями распределены наиболее равномерно, что приводит к достижению технического результата. Выбор силиката натрия Na2O(SiO2)n из ряда силикатов: кристаллогидраты олигомерных силикатов натрия; кристаллогидраты ортосиликатов натрия всех степеней замещения 4-х основной кремневой кислоты; поликремниевые производные силикатов натрия осуществлен из вышеприведенных соображений.

Сущность изобретения заключается в том, что при взаимодействии силиката натрия Na2O(SiO2)n в водном растворе едкого натра (жидкое стекло) с декагидро-клозо-декаборатом триметиламмония (Me3NH)2B10H10 наблюдается образование многоцентровых взаимодействий, формирующих пространственно-супрамолекулярные структуры. В состав материала входит термически устойчивая кластерная система - анион В10Н102-. Благодаря многочисленным супрамолекулярным контактам, возникающим в структуре стекла, разрушение аниона В10Н102- не наблюдается вплоть до 600°С. Кроме того, содержание бора в продукте от 15 до 40 мас. % обеспечивает высокую способность материала к захвату тепловых нейтронов.

Второй особенностью вышеуказанного взаимодействия является то, что в процессе образования пространственно-супрамолекулярных структур участвуют атомы натрия как силиката натрия, так и едкого натра.

Достижение заявленного технического результата подтверждается следующим примером. Пример иллюстрирует, но не ограничивает предложенное техническое решение.

Пример. В водном растворе едкого натра и силиката натрия Na2O(SiO2)n (ЖС) на воздухе при комнатной температуре растворяли (Me3NH)2B10H10; соотношение ЖС: (Me3NH)2B10H10 составило 60/40 мас. %. Раствор кипятили и контролировали удаление триметиламина по исчезновению в ИК-спектрах полосы валентных колебаний NH-групп при 3100 см-1, после чего раствор сушили до прекращения потери массы на кривых термо-гравиметрического анализа, поднимая температуру до 300°С.

Аналогичным образом получали материал при исходном соотношении ЖС: (Me3NH)2B10H10, равном 85:15, 70:30, 50:50, 40:60 и 26:74 мас. %.

Характеристики полученных материалов сведены в Таблицу: «Химические и термомеханические свойства нейтронозащитного борсодержащего материала»

Таблица.
Соотношения m:k в материале [Na2O(SiO2)n]m [Na2B10H10]k, при n=2,8 Исходное соотношение ЖС: (Me3NH)2B10H10 Содержание бора в материале мас. % Деформационная устойчивость при различных температурах °С ΔL/L0 (%)
200 300 400 500 600
15,7 85:15 7 3,0 10,7 11,9 13,0 образец разрушен
6,7 70:30 15 0,5 0,1 0,6 0,5 3,0
4,0 60:40 21 0,3 1,5 1,7 2,6 6,2
2,7 50:50 29 1,0 1,5 1,6 2,6 7,0
1,9 40:60 40 1,6 2,0 3,0 3,2 7,5
1,4 26:74 43 6,0 12,1 13,2 13,5 15,6

Как видно из представленной таблицы, технический результат не достигается за пределами заявленных соотношений m:k=7,0÷1,9, т.е. при исходных соотношениях ЖС: (Me3NH)2B10H10, равных 85:15 и 26:74 мас. %.

Изобретение позволяет получать борсодержащий нейтронозащитный материал, обладающий высокими эксплуатационными характеристиками, получение которого не требует высоких энергозатрат и дополнительного оборудования.

Борсодержащий нейтронозащитный материал, характеризующийся деформационной устойчивостью ΔL/L0=3,0÷7,5% при 600°С, который получают взаимодействием силиката натрия Na2O(SiO2)n в водном растворе едкого натра с декагидро-клозо-декаборатом триметиламмония (Me3NH)2B10H10, реакционный раствор кипятят до полного удаления триметиламина, образующегося в результате взаимодействия раствора едкого натра с (Me3NH)2B10H10, затем сушат, поднимая температуру вплоть до 300°С, получают материал, отвечающий брутто-формуле:

где n - характеристика исходного силиката натрия через силикатный модуль, который варьируется в пределах 2,5÷3,0;
m:k=7,0÷1,9,
при этом связывание декагидро-клозо-декаборатного аниона с атомами натрия как силиката натрия, так и едкого натра происходит за счет многоцентровых взаимодействий с образованием пространственных супрамолекулярных структур.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к средствам управляемого ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и может быть использовано в термоядерных реакторах для защиты стенок.
Изобретение относится к материалам с нейтронопоглощающими свойствами для защиты от нейтронного излучения. Предложен термостойкий нейтронозащитный материал, состоящий из магнийфосфатного связующего (24-33 мас.%) и порошковой части (76-67 мас.%), при этом порошковая часть содержит гидрид титана ТiH2 (90,3-95,5 мас.%), оксид магния MgO (2,7-4,5 мас.%) и карбид бора В4С (1,8-5,2 мас.%).
Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно к составу углеродсодержащей композиции для получения радиозащитных материалов. Композиция содержит 5-16 мас.% ультрадисперсного активного углерода со средним размером частиц 5-100 нм и удельной поверхностью 16-320 м2/г, диспергатор в виде водного раствора натриевого стекла и стабилизатор в виде насыщенного раствора лингосульфоната аммония.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для лучевой терапии злокачественных опухолей быстрыми нейтронами. .

Изобретение относится к области методологии проведения испытаний противорадиационной защиты объектов и может быть использовано в специализированных центрах по радиационным испытаниям.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления строительных деталей, изделий и конструкций, предназначенных для защиты от ионизирующих излучений.
Изобретение относится к области приготовления радиационно-защитных материалов для атомной и радиотехнической промышленности. .

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для изготовления несущих конструкций в строительстве, судостроении, авиастроении и в других отраслях промышленности.

Настоящее изобретение относится к связующему для стеклопластика на основе полиэфирной смолы, используемого для производства тонкостенного оконного профиля. Указанное связующее включает полиэфирную смолу на основе изофталевой кислоты, наполнитель - антипирен в виде нанопорошка на основе арагонитового песка с размером кристаллов 30-100 нм, ускоритель отверждения, инициатор отверждения и ингибитор.

Изобретение относится к морской технике и касается технологии изготовления прочного корпуса подводного аппарата. Цилиндрическую оболочку прочного корпуса подводного аппарата изготовляют из двух стеклянных слоев, между которыми формируют слой из пеностекла, и металлического покрытия в виде внешней, внутренней и торцевых облицовок, имеющих коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла.

Изобретение относится к морской технике и касается технологии изготовления прочного корпуса подводного аппарата. .

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для использования в несущих конструкциях в строительстве, судостроении, авиастроении и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для изготовления прочных изделий в строительстве, судостроении, машиностроении, авиастроении и других отраслях техники.

Изобретение относится к области соединения изделий из стекла или стеклокерамики с изделиями из другого неорганического материала и может применяться для герметичного соединения изделия из ситалла с металлической, а именно алюминиевой, деталью и более конкретно может использоваться для герметичного соединения ситаллового моноблока кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ) с алюминиевыми электродами.

Изобретение относится к созданию ударопрочных изделий остекления для транспортных средств. .

Изобретение относится к промышленности строительства и стройматериалов, к стекольному производству, к акустооптике и акустоэлектронике и может быть использовано в спектрометрической и радиоэлектронной аппаратуре, а также при создании от дельных функциональных устройств обработки оптических, акустических и радиосигналов .

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для изготовления в несущих конструкциях в строительстве, судостроении, авиастроении и в других отраслях промышленности. Листовой трехслойный стеклометаллокомпозит изготовляют из листов стекла, размещенных между металлическими листами, имеющих коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла. Формирование стеклометаллокомпозита производят в нейтральной среде с применением для соединения стекла с металлом высокой температуры и давления. Расплав нагревают до температуры, превышающей температуру размягчения стекла. Лист стекла разогревают до температуры, не превышающей температуру стеклования. Стеклометаллокомпозит формируют путем перемещения листа стекла в металлическом расплаве. Технический результат изобретения заключается в упрощении способа получения композита без снижения его прочности и ударной стойкости, снижении затрат на его изготовление. 1 ил.
Наверх