УДК 691: 519.7

А.М.Данилов, д.т.н., профессор,

А.Н.Круглова, к.т.н., доцент,

С.А. Болтышев, к.т.н., доцент.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Математическое моделирование свойств

радиационно-защитных композитов

Исходя из справедливости для дисперсно-наполненных эпоксидных композиционных материалов (ЭКМ) гипотезы о возможности достижения высокой радиационной стойкости и стойкости к воздействию агрессивных сред (наряду с необходимым комплексом других физико-механических свойств) на основе модификации границ раздела фаз, разрабатываются материалы для защиты персонала и оборудования от ионизирующего излучения. В основном, рассматриваются материалы на основе эпоксидного связующего, наполненного аппретированными полиметилфенилсилоксаном отходами производства оптического стекла (ОПОС). Для прогнозирования влияния технологических параметров при структурообразовании, определения механизмов упрочнения широко использовали методы имитационного и численного моделирования на уровнях как микро-, так и макроструктуры. Экспериментально определялась возможность создания эпоксидных композиционных материалов с требуемыми физико-механическими свойствами на основе совмещения наполненного связующего и грубодисперсных фаз (свинцовые волокна, порошок свинцового глета, отходы производства оптического стекла; фракции - 0,14...0,315 мм). Суммарная объёмная доля дисперсных фаз составляла 0,33; 0,61; 0,65. Для прогнозирования прочности при сжатии, МПа были получены модели в зависимости от вида указанных грубодисперсных фаз, которые соответственно имеют вид:

определяют содержание в долях соответствующих дисперсных фаз в базовых составах. Высокая адгезия эпоксидного связующего и ОПОС как грубодисперсной фазы позволяет получить повышенные прочностные показатели; прочность при сжатии для высоконаполненных составов на основе ОПОС возрастает на 45 %; для малонаполненных составов – на 25%. Объёмная доля свинцовых волокон не оказывает заметного влияния на величину предела прочности ЭКМ при изгибе. Наилучшие прочностные показатели имеет состав на основе ОПОС (следствие прочной адгезии ОПОС и эпоксидной матрицы). Введение ОПОС приводит к снижению деформативности ЭКМ (при разных суммарных объёмных долях дисперсных фаз модуль деформации составов на основе ОПОС на 40...70% выше модуля деформации составов на основе свинцового волокна).

Определялись также свойства рассматриваемых радиационно-защитных эпоксидных композиционных материалов, в том числе на аппретированном наполнителе. Они, в основном, определяются средней плотностью γ материала (кг/м³; зависит от элементного состава использованных компонентов). Все указанные выше составы имеют высокую плотность; наибольшую – при использовании свинцовых волокон (для малонаполненных составов введение свинцовых волокон увеличивает плотность на 25%, для высоконаполненных – почти на 40%). Для прогнозирования использовались экспериментально-статистические модели для каждого вида материала:

,

,

где А, В, С – определяют содержание в долях соответствующих дисперсных фаз (свинцовые волокна, порошок свинцового глета, отходы производства оптического стекла) в базовых составах.

На основании брутто-формул компонентов и экспериментальных значений средней плотности ЭКМ определялись линейный коэффициент ослабления ‑излучения и коэффициент выведения нейтронов. Характер зависимости линейного коэффициента ослабления ‑излучения близок к характеру зависимости средней плотности. Как оказалось, при равной средней плотности лучшими защитными свойствами обладают составы на основе свинцовых волокон (содержат больше тяжёлых элементов; при суммарной объёмной доле дисперсных фаз 0,65 прирост защитных характеристик составляет почти 50%).

Максимум коэффициента выведения нейтронов соответствует составу на основе свинцового волокна. Изменение коэффициента выведения при переходе к другим базовым составам не превышает 25%. Эффективное ослабление потока нейтронов обеспечивается при использовании ЭКМ с матричным материалом в количестве 0,7 от объема композиции. Максимум коэффициента выведения нейтронов находится внутри исследуемой факторной области (рациональный выбор границ рецептурных факторов; их оптимальное сочетание увеличивает защитные показатели на 13%).

Рис. 3. Области равных оценок качества ЭКМ

Наконец, была проведена многокритериальная оптимизация параметров эпоксидных радиационно-защитных композиционных материалов с использованием искусственной нейронной сети (трёхслойный персептрон), весовые коэффициенты которой формируются исходя из ограничений на свойства материала. Равные предпочтения физико-механических (пределы прочности при сжатии и изгибе) и защитных показателей (линейный коэффициент ослабления -излучения и коэффициент выведения нейтронов) определяются линиями равного уровня (рис. 3). Максимуму сетевого отклика соответствует оптимальная в принятом смысле рецептура ЭКМ (табл. 2). Численные значения показателей материала с данной рецептурой приведены в табл. 1.

Оптимальные характеристики материала (табл.1) достигаются при оптимальной его рецептуре (табл. 2)

Таблица 1. Свойства ЭКМ

Показатель	Прототип	Достигнуто	Прирост, %
Предел прочности при сжатии, МПа	110	125	14
Предел прочности при изгибе, МПа	–	41	–
Средняя плотность, кг/м^3	3800	4786	21
Коэффициент выведения нейтронов (полное макроскопическое сечение выведения, см^-1)	–	0,12 (0,47)	–
Линейный коэффициент ослабления -излучения, см^-1	0,55	0,72	25

Таблица 2. Рецептура ЭКМ

Компонент	Содержание, мас. %	Расход, кг/м^3 композита
Свинцовое волокно	14,6	700
ПСГ	15,5	742
ОПОС (грубодисперсная фаза)	35,9	1718
Аппретированный ОПОС (наполнитель)	23,9	1144
Эпоксидная смола ЭД-20	9,1	436
Полиэтиленполиамин	1,0	48

Таким образом, разработанный радиационно-защитный композит на основе аппретированного наполнителя по основным физико-механическим и защитным характеристикам превосходит характеристики прототипа от 14 до 25%.