Современные технологии требуют новых материалов, все более усовершенствованных, мультифункциональных, с теми или иными ярко выраженными свойствами. Специалисты Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) совместно с Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) занимаются разработкой технологии создания высокотемпературных композиционных материалов из боридов вольфрама и молибдена для атомной энергетики, а именно для контейнеров, транспортирующих радиоактивные отходы. Задача исследователей – создание материала, который одновременно будет ослаблять гамма- и нейтронное излучения, выдерживать высокие температуры и обладать достаточными прочностными характеристиками. Полученные образцы материала можно наносить на поверхность по принципу краскопульта, напыляющего краску. Результаты опубликованы в Известиях РАН.

Сегодня многим отраслям промышленности, наукоемким производствам требуются материалы, обладающие новыми качественными характеристиками, комбинирующие в себе несколько свойств – повышенную прочность, высокую теплопроводность, термостойкость и др. Именно поэтому развитию технологий создания новых материалов уделяется повышенное внимание. Композиционные, полимерные, наноуглеродные материалы и керамика с высокими качественными характеристиками могут дать сильный импульс развития промышленности, медицины, сфере информационных технологий и многим другим областям, напрямую влияющим на качество жизни человека.

Например, в атомной энергетике в связи с увеличением количества радиоактивных отходов, которые образуются в результате переработки отработанного ядерного топлива, остро встала проблема модернизации контейнеров для их транспортировки и хранения. Защитное покрытие контейнеров должно ослаблять поток гамма- и нейтронного излучений, при этом выдерживать высокие температуры и обладать высокими прочностными характеристиками. Атомной промышленности необходимы материалы, которые соединяли бы в себе лучшие свойства металлов и самых тугоплавких соединений – оксидов, карбидов, боридов.

Над этой задачей работают специалисты ИХТТМ СО РАН и ИЯФ СО РАН. В их арсенале – аддитивные технологии и специализированный источник электронного пучка.

«Материал защитного покрытия должен ослаблять поток альфа-, бета-, гамма- и нейтронного излучений. Для этой цели хорошо подходят бориды тяжелых металлов, например, вольфрама – рассказывает научный сотрудник ИХТТМ СО РАН, кандидат химических наук Алексей Анчаров. – Атомы металла поглощают альфа-, бета- и гамма-излучения, а атомы бора – нейтроны. Кроме этих свойств, бориды обладают высокой температурой плавления и высокой твердостью. Задача нашего исследования состояла в том, чтобы научиться комбинировать необходимые свойства в одном материале. Аддитивные технологии здесь очень подходят – они позволяют наращивать слои материалов с различными концентрациями, или добавлять новые слои с другими компонентами и обеспечивать градиент физико-химических характеристик по толщине образца».

 

 Микрофотография боковой поверхности образца механокомпозита Иллюстрация предоставлена А.И. Анчаровым
Микрофотография боковой поверхности излома высокотемпературного композиционного материала на основе боридов вольфрама. Иллюстрация предоставлена А.И. Анчаровым.

Для предварительной подготовки образцов специалисты использовали метод механоактивации. В шаровой мельнице – специальном устройстве для смешивания и измельчения твердых веществ до микроразмеров – вольфрам и нитрид бора «вбиваются» друг в друга. Под электронным микроскопом получившийся механокомпозит выглядит как «слоеный пирог». Далее его исследуют в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения ИЯФ СО РАН на экспериментальной станции «Дифрактометрия в жестком рентгеновском диапазоне» при помощи синхротронного излучения, генерируемого ускорителем ВЭПП-3. Третий, завершающий, этап приготовления – нагревание смеси и запуск химических реакций направленным пучком электронов на специализированном источнике электронного пучка в ИЯФ СО РАН.

«Источник электронного пучка ИЯФ СО РАН разработан и изготовлен специально для электронно-лучевых технологий. Он обладает редкими параметрами: энергией 60 киловольт при непрерывной мощности до 30 киловатт, – рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН Юрий Семенов. – При фокусировке электронного пучка меньше одного миллиметра в диаметре, мы получаем мощность около100 киловатт на квадратный миллиметр. Мощность преобразуется в тепло в обрабатываемом слое толщиной десяток микрометров, где температура может достигать отметки 6000 °C и выше. Такие характеристики позволяют нам плавить самые тугоплавкие материалы. Но самая важная особенность нашей установки в том, что электронный пучок направляется на обрабатываемую поверхность не прямолинейно, а с поворотом на 270 градусов. Такое решение позволяет нам защитить катод и высоковольтную область электронной пушки от паров и мелких капель от обрабатываемого материала. Данная технология запатентована нами в России».

Специалисты отметили, что им удалось достаточно просто и с малыми энергозатратами получить композиты из разных боридов, управлять процессом синтеза. В будущем, меняя соотношение состава (стехиометрию), можно регулировать ослабление того или иного вида излучения. Композиционные материалы, где в составе больше вольфрама, будут лучше поглощать гамма-излучение, где больше бора – нейтронное излучение.

Алексей Анчаров также отметил, что разрабатываемая технология позволит делать как большие, так и маленькие детали, причем любой формы. Более того, если оборудовать электронную пушку специальным соплом, из которого выдувается порошок, то попадая в зону нагрева, он будет наплавляться на поверхность. Технология наплавления схожа с принципом работы краскопульта: защитный слой просто напыляется на уже существующее изделие, например, стенки контейнеров для перевозки и хранения радиоактивных отходов.