Влияние различных доз облучения на прочность базальт-композита изучили на молекулярном уровне ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 18 марта сообщает пресс-служба вуза.

Композиты на основе природных материалов, в том числе широко распространенного в природе базальта, в настоящее время широко применяются в промышленности. Базальт-композит используют для производства деталей автомобилей, морских судов, трубопроводов и даже протезов.

Ограничением для более широкого применения этого материала является его недостаточная для некоторых приложений прочность. Ранее было доказано, что гамма-облучение влияет на механические свойства материала. При этом облучение может как улучшить, так и ухудшить прочностные характеристики, но как именно меняется микроструктура базальт-композита под воздействием радиации, установлено не было,

Исследователи Пермского Политеха решили ликвидировать этот пробел, чтобы точнее выбирать режимы радиационного упрочнения материалов для получения изделий с требуемыми свойствами.

Статья «Рентгеноструктурный анализ микроструктуры облученного базальтового композита» с результатами исследования, проведенного в рамках проекта международной исследовательской группы (С-26/591), была опубликована в журнале «Цифровая наука» за 2023 год.

Доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ кандидат технических наук Владимир Онискив рассказал о проведенном исследовании:

«Мы облучили образцы композиционного материала, состоящего из эпоксидного связующего и базальтового ровинга (жгута из волокон базальта). С помощью сканирующей электронной микроскопии изучили локальный элементный состав композита при нарастающих дозах облучения».

Волокна базальта получают путем расплавления измельченной базальтовой породы с последующим формованием нитей.

Для исследований ученые выделили три группы образцов плюс контрольная, которая облучению не подвергалась, ее использовали для сравнения характеристик. На остальные воздействовали гамма-излучением в дозах 5, 10 и 15 Мрад. Время испытания варьировалось в зависимости от запланированной дозы — до получения 15 Мрад образец облучался 14 дней.

Использовав сканирующую электронную микроскопию, ученые установили, что радиационное воздействие меняет состав материала. Доза в 5 Мрад приводит к резкому снижению массовой доли углерода в эпоксидной части композита, но при этом возрастает доля кислорода, и появляется кремний.

В базальте же доля углерода увеличивается, а кислорода и кремния — снижается, что говорит о формировании в композите новых межмолекулярных связей (сшивки) с образованием органо-силикатно-кремниевых соединений, которые упрочняют композит.

Продолжение облучения до 10 Мрад продолжает и процесс сшивки, но с заметным снижением скорости. Энергия облучения делается избыточной. При 15 Мрад идет процесс деструкции композита.

Таким образом, ученые ПНИПУ обосновали на молекулярном уровне влияние гамма-излучения на базальт-композиты и рекомендуют для упрочнения этого материала использовать облучение дозой, меньшей 10 Мрад при мощности излучения 12 рад/сек.

Полученные результаты будут способствовать созданию ответственных изделий из базальт-композитов, обладающих улучшенными механическими свойствами.