Радиационное упрочнение и оптические свойства материалов на основе SiO2
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………… 4
ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ
ИЗМЕНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТЕКОЛ (ОБЗОР
ЛИТЕРАТУРЫ)……………………………………………………………….. 10
1.1 Представления об атомной структуре кварцевого стекла………….… 10
1.2 Бозонный пик в спектрах комбинационного рассеяния света стекол…. 14
1.3 Край фундаментального оптического поглощения силикатных
стекол…………………………………………….…………………………… 20
1.4 Радиационно-индуцированные изменения оптических свойств
неорганических стекол……………………………………………………… 24
1.5 Механизм радиационно-индуцированных оптических потерь в
стеклах…………………………………………………………………………. 33
1.6 Выводы по Главе 1……………………………………………..…….…. 39
ГЛАВА 2. РАДИАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ЛЕГИРОВАННЫХ СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ……………………………… 41
2.1 Исследования оптических свойств в области края фундаментального
поглощения ………………………………………………………………………………………… 41
2.2 Рентгеноструктурные исследования нано-структуры легированных
стекол …………………………………………………………..……………. 53
2.3 Выводы по Главе 2……………………………………………………… 62
ГЛАВА 3. РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ
НАПРЯЖЕНИЯ В КВАРЦЕВЫХ СТЕКЛАХ………………………………… 64
Стр.
3.1 Радиационно-индуцированное разделение электрического заряда в
объеме диэлектриков………………………………………………………… 64
3.2 Оценка кулоновского упрочнения стекла……………………………… 66
3.3 Методика исследования радиационно-индуцированных изменений
механических свойств………………………………………………………. 68
3.4 Акустические исследования стекла КУ-1 при протонном
облучении…………………………………………………………………… 73
3.5 Выводы по Главе 3………………………………………………………. 78
ГЛАВА 4. РАДИАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ……………….……… 79
4.1 Механизмы взаимодействия наполнителя и связующего в
композиционных материалах………………………………………………. 79
4.2 Получение композиционного материала на основе стекловолокна и
неорганического связующего………………………………………………. 82
4.3 Механические свойства гамма-облученных композиционных
материалов с наполнителем из кварцевого стекла……………………….. 88
4.4 Выводы по Главе 4……………………………………………………… 91
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………… 92
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ………….….. 94
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………… 95
Во введении обосновывается актуальность исследований,
проводимых в рамках диссертации, формулируются цели, задачи, научная
новизна и практическая значимость, приведены положения, выносимые на
защиту.
В первой главе рассмотрены имеющиеся к настоящему времени
результаты экспериментальных и теоретических исследований структуры
неорганических стекол на атомном и нано- уровнях, ее влиянии на
оптические свойства в области края фундаментального оптического
поглощения.
Современные исследования структуры стекла показывают, что стекла
вне зависимости от их состава имеют неоднородную нано-кластерную
структуру, элементом которой являются домены/кластеры от 1 до 10 нм с
упорядоченным атомным расположением. Это является причиной того, что
для стеклообразных материалов край фундаментального оптического
поглощения испытывает длинноволновый сдвиг и размывается вследствие
наличия локализованных состояний в запрещенной зоне. Анализ известных
микроскопических моделей поглощения света показывает, что край
поглощения или спектральный ход коэффициента поглощения часто можно
аппроксимировать экспонентой, что связано со статистическими
флуктуациями плотности электронных состояний.
Приведены известные экспериментальные результаты влияния
гамма-облучения на оптические свойства стекол различного состава и
рассмотрены механизмы радиационно-индуцированных оптических потерь
в стеклах. Сдвиг края поглощения наблюдается абсолютно у всех
облученных стекол и имеет одинаковый характер вне зависимости от
состава. Наиболее удачным объяснением таких изменения оптических
свойств является механизм возникновения радиационно-индуцированных
оптических потерь за счет наведенного релеевского рассеяния из-за
разделения электрического заряда в нано-областях стекол. Размер
рассеивающих свет доменов в соответствии с таким механизмом
определяется корреляционным радиусом ближнего порядка, который
соответствует размеру мельчайших элементов структуры и размеру
областей когерентного рассеяния рентгеновского излучения. Оценки
ионизирующей дозы насыщения, при которой весь объем стекла
разбивается на области оптического рассеяния дают значения (0,72)106
Гр, которые вполне согласуются с экспериментальными значениями доз
насыщения радиационной окраски кварцевых стекол.
Во второй главе приведены результаты исследований радиационных
изменений оптических свойств силикатных стекол, у которых различалась
исходная наноструктура из-за легирования примесями Al2O3, Ga2O3, Nd2O3.
Образцы стекол представляли собой преформы, которые предназначены для
изготовления оптических световодов. Стекла облучали до дозы 1,3∙105 Гр на
гамма-источнике 137Cs. На Рисунке 1 показаны изменения оптических
спектров пропускания образцов № 1 (примесь 1% Al2O3) и № 3 (примеси
6% Al2O3, 1% Ga2O3, 0,2% Nd2O3), где Т – коэффициент пропускания, λ –
длина волны. После гамма-облучения кварцевых стекол наблюдается
размытие и сдвиг фундаментального края поглощения в область больших
длин волн. При этом максимальный сдвиг наблюдается у стекла с примесью
Nd2O3, а минимальный – с наибольшим количеством стабилизирующей
однородную структуру стекла примеси Al2O3.
Рисунок 1. Спектры оптического пропускания образца №1 (слева) и
образца №3 (справа) до и после облучения
При гамма-облучении происходит радиационно-индуцированное
разделение электрического заряда на структурных нано-неоднородностях
стекол. Изменение оптических свойств происходят в результате потерь на
рассеяние в индуцируемой облучением оптически неоднородной среде –
объеме стекла. С помощью теории рассеяния Релея оценивали размеры
областей когерентного рассеяния (ОКР) света d, при которых совпадают
экспериментально полученные спектры поглощения и рассчитанные
спектры потерь на рассеяние:
где α – коэффициент поглощения, re – классический радиус электрона, ne
– концентрация электронов, ρ – плотность стекла, Eg – ширина
запрещенной зоны,длина волны, соответствующая ширине
запрещенной зоны, D – поглощенная доза.
Совмещение экспериментальных и рассчитанных спектров для
образцов № 1 и 3 показаны на Рисунке 2.
Рисунок 2. Совмещение экспериментальных спектров поглощения и
рассчитанных спектров потерь на рассеяние
облученных образцов № 1 (слева) и № 3 (справа)
Размеры d ОКР света с наилучшим совпадением экспериментальных
и рассчитанных спектров приведены в Таблице 1. Минимальный размер
d = 1,6 нм соответствует стеклу № 3 с наибольшим количеством
стабилизирующих структуру стекла примесей Al2O3 и Gd2O3, а
максимальный d=3,5 нм – стеклу № 4 с наибольшей концентрацией
оптически активной примеси Nd2O3.
Связь радиационных изменений оптических свойств кварцевых
стекол с их наноструктурой показана с помощью рентгеноструктурных
исследований с определением размеров ОКР рентгеновского излучения.
ОКР рентгеновского излучения в стеклах является нано-доменом с
упорядоченной атомной структурой.
На Рисунке 3 представлены фрагменты рентгенограмм образцов № 1
и № 3. Диффузное гало или полоса, на рентгеновских дифрактограммах,
которую аппроксимировали функцией Гаусса, имела интегральную ширину
10-15о в 2θ. Для расчетов ОКР рентгенограмма кристаллического α-SiO2
совмещалась с аппроксимированной экспериментальной полосой, а
размер ОКР рассчитывали по формуле Селякова-Шеррера. Результаты
расчетов для всех образцов приведены в Таблице 1.
аб
Рисунок 3. Рентгенограммы образцов: а – № 1, б – № 3
Таблица 1.
Значения характерных размеров нано-доменов в структуре образцов
кварцевых стекол
Образец Составd (свет), нм d (рентген), нм
№11% Al2O32,82,2
№23,3% Al2O32,41,9
№36% Al2O3, 1% Ga2O3,1,61,3
0,2% Nd2O3
№42% Al2O3, 0,5% Nd2O33,53,0
Полученные из рентгенограмм размеры d ОКР на 20-25% меньше, но
хорошо коррелируют со значениями d ОКР света. Это является
экспериментальным подтверждением того, что радиационная окраска
стекол вызвана рассеянием в индуцируемой оптически неоднородной среде.
Превышение размеров d ОКР света над размерами d ОКР рентгеновского
излучения объясняется тем, что когерентное рассеяние рентгеновского
излучения связано с минимальным объемом в стеклах со строгим атомным
порядком. Такой объем не может быть больше масштаба оптических
неоднородностей.
Втретьейглавепредложенмеханизмвозникновения
индуцированных облучением внутренних механических напряжений в
стекле (радиационно-индуцированное кулоновское упрочнение), приведены
оценки и результаты измерений механических свойств кварцевого стекла
непосредственно под действием мощного протонного облучения.
Локальное разделение электрических зарядов приводит к
образованию механически напряженных микрообластей в объеме
диэлектриков. Элементы нано-структуры в объеме облученного стекла с
неоднородным распределением заряда можно представить в виде
заряженных конденсаторов размером d с плотностью заряда на обкладках ps,
которая пропорциональна плотности заряженных ловушек для электронов
или дырок на границах доменов. Между обкладками заряженного
конденсатора возникает давление из-за кулоновского притяжения
где ε – диэлектрическая проницаемость кварцевого стекла, ε0= 8,85·10-12 Ф/м
– электрическая постоянная.
Стекла будут упрочняться вплоть дозы ~ 106 Гр. При такой
поглощенной дозе весь объем стекла разбивается на заряженные области,
которые также являются областями оптического рассеяния. Оцененные по
(2) значения напряжений в кварцевом стекле находятся в интервале 40-400
МПа.
Для экспериментальной проверки наличия предельной дозы были
проведены измерения механических свойств стекол непосредственно в
процессе мощного ионизирующего протонного облучения. Для измерения
акустомеханических свойств материалов (модуля упругости и декремента
затухания акустических колебаний) непосредственно в процессе
радиационного воздействия использовалась установка по измерению
упругих свойств твердых тел на основе резонансного метода составного
пьезоэлектрического вибратора [6]. Метод основан на анализе
установившихся вынужденных звуковых колебаний образца. В основе
метода составного пьезоэлектрического вибратора лежат прямой и
обратный пьезоэлектрические эффекты.
Для исследований изменений акустомеханических свойств кварцевых
стекол в условиях мощного радиационного воздействия составной
пьезоэлектрический вибратор располагается на выходе ионопровода
ускорителя тяжелых и легких ионов ЭГП-15 (ГНЦ РФ-ФЭИ) так, что пучок
ионов (протонов) попадал в центр образца, где находятся пучность стоячей
ультразвуковой волны и максимум ее амплитуды (максимум деформации).
Общая схема установки изображена на Рисунке 4. Установка позволяла
проводить измерения резонансной частоты вибратора (модуля Юнга) с
погрешностью 0,002%, декремента акустических колебаний на частоте ~
100 кГц с погрешностью 6% в условиях протонного облучения с мощностью
дозы 5∙103 Гр/с (энергия 8 МэВ). Проективный пробег протонов превышал
толщину стекла, так что облучение оказывало только ионизирующее
действие.
Декремент акустических колебаний зависит от микропластичности
материала. Его изменение определяется образованием и трансформацией
напряженно-деформированных областей в объеме стекла.
Рисунок 4. Схема измерений акустомеханических свойств образцов в
процессе облучения протонами
Модуль Юнга в измерениях не изменялся, что свидетельствовало о
целостности вибратора под облучением. Изменения модуля Юнга и
декремента затухания в первые 100 с после начала облучения связаны с
повышением температуры образца. Падение декремента на начальном этапе
(Рисунок 5) указывает на уменьшение микропластичности за счет
упрочнения. Возникающие в процессе ионизирующего излучения области с
кулоновским упрочнением блокируют движение дефектов – носителей
пластичности. При дозе облучения ~106 Гр, как видно из Рисунка 5,
упрочнение стекла завершается.
Радиационно-индуцированные изменения акустических свойств
кварцевых стекол, также, как и изменения оптических свойств,
характеризуются предельной дозой порядка 106 Гр. Полученные
экспериментальные результаты подтверждают один и тот же механизм
радиационно-индуцированных изменений оптических и механических
свойств кварцевого стекла.
Рисунок 5. Зависимости декремента акустических колебаний δ составного
вибратора и модуля Юнга E стекла КУ-1 в процессе облучения протонами
(энергия 8 МэВ, мощность дозы 5103 Гр/с) при амплитуде относительной
деформации 10-6
Вчетвертойглавеприведеноописаниеразработки
высокотемпературного радиационно-стойкого композиционного материала
(КМ), а также результаты исследований изменений его механических
свойств после облучения на гамма-источнике 137Cs.
Механические свойства КМ с наполнителем из стекловолокна зависят
от механических свойств кварцевого стекла. Радиационная стойкость КМ
может быть достигнута заменой обычно используемых органических
связующих на неорганические, в которых не происходит быстрых
радиохимических изменений. Основные задачи разработки радиационно-
стойкого КМ связаны с разработкой неорганического связующего. В
настоящей работе в качестве термостойкой неорганической системы
обосновано алюмохромфосфатное связующее (АХФС). С таким связующим
в качестве наполнителя КМ применили ткань из аморфного кварцевого
волокна (марка ТС-8/3-К-ТО). В результате был получен КМ, который в
настоящее время производится в АО «ОНПП «Технология» им.
А.Г.Ромашина»методамивакуумногоиливакуум-автоклавного
формования с последующей термообработкой (Рисунок 6). Было показано,
что механическая прочность КМ определяется прочностью кварцевого
волокна. Материал не подвержен радиолизу, может применяться до 1500 оС
в изделиях аэрокосмического назначения.
Для исследования влияния радиационного воздействия на
прочностные свойства КМ были изготовлены 30 образцов в виде балок
размерами (20х10х2) мм. 15 образцов облучили на γ-источнике 137Cs с дозой
1,3∙105 Гр.
Рисунок 6. Микроструктура композиционного материала на основе
неорганического связующего
Прочность при максимальном изгибающем напряжении исходных и
облученныхобразцовисследоваласьнауниверсальной
электромеханической испытательной машине LFM-50 по ГОСТ 4651-82.
Модуль упругости при статическом изгибе рассчитывался по ГОСТ 9550-81.
На Рисунках 7 и 8 представлены значения модуля упругости при
статическом изгибе и предела прочности при максимальном изгибающем
напряжении образцов до и после облучения.
Также, как в условиях протонного облучения кварцевого стекла,
после гамма-облучения КМ не наблюдается изменений модуля упругости
(Рисунок 7) в пределах ошибок измерений. Разброс рассчитанных данных
модуля находится в пределах 2 ГПа, как в большую, так и в меньшую
стороны.
После гамма-облучения предел прочности КМ при изгибе
увеличивается (Рисунок 8). При этом максимальное наблюдаемое
упрочнение составляет порядка 20 МПа и находится в диапазоне оценок
кулоновского упрочнения кварцевого стекла.
Рисунок 7. Значения модуля упругости G КМ (N) до (серые линии) и после
(чёрные линии) гамма-облучения
Рисунок 8. Значения предела прочности при максимальном изгибающем
напряжении КМ (N) до (серые линии) и после (чёрные линии) гамма-
облучения
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Взаключениисформулированыосновныерезультаты
диссертационной работы, состоящие в следующем:
Вобъемедиэлектрическихматериаловподдействием
ионизирующего облучения происходит разделение индуцированного
электрического заряда на структурных микро- и нано-неоднородностях.
Известные исследования указывают на то, что вследствие схожей
неоднородной нано-доменной структуры оптические свойства облученных
диэлектрических стекол вне зависимости от химического состава
характеризуются одинаковыми особенностями: длинноволновым сдвигом и
размытием края фундаментального оптического поглощения, увеличением
интенсивности линий примесного оптического поглощения. Это происходит
в результате разделения электрического заряда в нано-областях, увеличения
поляризуемости таких областей и наведенного релеевского рассеяния в
индуцируемой оптически неоднородной среде. Для фторидных стекол была
установлена корреляция размеров доменов нано-структуры и размеров
областей релеевского рассеяния, которыми определяется спектр оптических
потерь при радиационной окраске.
В настоящей работе такой подход применен к кварцевым стеклам
различного примесного состава. Также показано влияние индуцированных
облучением электрических процессов в нано-областях на механические
свойства кварцевых стекол. В результате работы сделаны следующие
выводы.
1. После гамма-облучения (137Cs-источник) до дозы 1,3∙105 Гр кварцевых
стекол с примесями Al2O3, Ga2O3, Nd2O3 происходит размытие и сдвиг
фундаментального края поглощения в область больших длин волн в
интервале 200-700 нм. Максимальный сдвиг наблюдается у стекла с
примесью Nd2O3, минимальный – с наибольшим количеством
стабилизирующей однородную структуру стекла примеси Al2O3.
2. Спектры оптических потерь радиационно-окрашенных кварцевых стекол
соответствуют спектрам релеевского рассеяния в оптически неоднородной
среде. Показано, что для стекол с различным содержанием примесей Al2O3,
Ga2O3, Nd2O3 размеры доменов нано-структуры 1,3, 1,9, 2,2, и 3,0 нм,
определяемые как размеры областей когерентного рассеяния (ОКР)
рентгеновского излучения, и размеры областей релеевского рассеяния 1,6,
2,4, 2,8 и 3,5 нм, рассчитанные из оптических спектров облученных стекол,
коррелируют между собой.
3. Соответствие размеров ОКР света и рентгеновского излучения позволяет
использовать рентгеноструктурный анализ для предсказаний радиационных
изменений оптических свойств стекол. Радиационная окраска или
оптические потери облучённых стекол пропорциональны четвертой степени
размеров ОКР.
4. Предложен механизм радиационного механического упрочнения
кварцевых стекол за счет возникающих кулоновских напряжений в
результате разделения электрического заряда в областях доменов нано-
структуры.Величинырадиационно-индуцированныхкулоновских
напряжений достигают значения от 40 МПа до 400 МПа.
5. При облучении протонами с энергией 8 МэВ и мощностью дозы 5103 Гр/с
в кварцевом стекле марки КУ-1 при постоянном модуле Юнга происходит
механическое упрочнение с уменьшением декремента акустических
колебаний на частоте 105 Гц до поглощенной дозы 1 МГр. Доза 1 МГр
соответствует максимальному кулоновскому упрочнению и насыщению
радиационной оптической окраски.
6. Разработан композиционный материал на основе неорганического
алюмохромфосфатного связующего и наполнителя из кварцевого волокна
(производится в АО «ОНПП «Технология» им. А.Г.Ромашина»),
механическая прочность которого определяется прочностью кварцевого
волокна. Композиционный материал не подвержен радиолизу, может
применяться до 1500оС, гамма-облучение до дозы 1,3∙105 Гр не оказывает
влияния на его модуль упругости.
7. Показано, что после гамма-облучения с дозой 1,3∙105 Гр (137Cs-источник)
происходит увеличение предела прочности композиционного материала на
основе наполнителя из кварцевого волокна на величину до 20 МПа.
Величина увеличения прочности находитсявинтервалеоценок
кулоновского упрочнения кварцевого стекла.
Литература
1. Технология производства и свойства кварцевых оптических волокон :
учебное пособие / Г.А. Иванов [и др.]. – Пермь : Изд-во Пермского нац.
исслед. политехнического ун-та. 2011. 170 с.
2. Таганцев Д.К. Стеклообразные материалы: учебное пособие. – СПб. : Изд-
во Политехн. ун-та, 2010. 204 с.
3. Гуртов В.А. Оптоэлектроника и волоконная оптика : учебное пособие.
Изд-во ПетрГУ, 2007. 243 с.
4. Fluoride glasses as materials for radiation optics / V.A. Stepanov [et al] // Proc.
of XIIIth Int. Symposium on Non-Oxide Glasses and New Optical Glasses,
Pardubice, Czech Republic.2002. Part II. pp. 674-677.
5. Степанов В.А. Радиационно-индуцированные изменения оптических
свойств стекол // Инженерные проблемы термоядерных реакторов: Тез.
докл. 7 Межд. Конф. С. Петербург. 2002. C. 195.
6. Никаноров С.П., Кардашев Б.К. Упругость и дислокационная неупругость
кристаллов. М. : Наука, 1985. 256 с.
Актуальность работы. Кварцевое стекло относится к числу наиболее широко
применяемых на практике оптических материалов. Оно характеризуется высоким
коэффициентом оптического пропускания в УФ, видимой и ближней ИК областях
спектра [1]. Кварцевое стекло является основой для получения оптических волокон,
которые применяются в системах связи и в измерительных приборах.
Высокие механическая прочность и термостойкость, устойчивость к действию
многих кислот и воды позволяют применять кварцевые стекла в качестве элементов
конструкционных материалов. В виде волокон или стеклотканей оно входит в состав
различных композиционных материалов, из которых создаются элементы
конструкций в авиационной отрасли, в транспорте и строительстве [2, 3].
Кварцевое стекло относится к числу диэлектрических материалов с
повышенной радиационной стойкостью, поэтому, как в качестве оптических
элементов, так и в качестве компонент конструкционных композитов, оно
применяется и в атомной технике, и в авиакосмических системах. Однако, с дозой
облучения свойства кварцевых стекол и материалов на их основе меняются.
Происходит ухудшение оптических свойств и, как правило, возрастает механическая
хрупкость. При этом понимания механизмов радиационно-индуцированных
процессов в кварцевых стеклах к настоящему времени недостаточно для
направленного в связи с условиями эксплуатации выбора типов стекол, выбора
условий их получения, примесного состава. На практике такой выбор осуществляется
в результате экспериментального перебора или интуитивно.
Трудность развития радиационного материаловедения кварцевых стекол и
стекол вообще, связана с тем, что развитые и используемые для кристаллических
материалов подходы, основанные на изучении механизма влияния образующихся при
облучении точечных, линейных и других дефектов периодической структуры, для
стекол не применимы. Такого типа дефектов, если их пытаться определить в
неупорядоченной структуре, в исходном стекле больше, чем может образоваться в
условиях радиации.
Степень разработанности темы диссертации. Известен иной подход в
исследованиях радиационно-индуцированных процессов, учитывающий реальную
нано-неоднородную структуру стекла [4, 5]. Результаты, согласно которым изменения
оптических свойств можно связывать с радиационно-индуцированным разделением
электрического заряда в нано-областях, были получены на примере фторидных
стекол. Такой подход представляется универсальным в радиационном
материаловедении диэлектрических стекол, и его можно было бы применять для
разных типов стекол, в том числе, и для кварцевых. Для проверки общности такого
подхода он должен быть исследован при описании радиационных изменений не
только оптических, но и других свойств стекол. Поэтому актуальными являются
исследования радиационных изменений как оптических, так и механических свойств
кварцевых стекол с учетом их реальной нано-структуры.
Целью диссертационной работы было установление взаимосвязи между
радиационно-индуцированными изменениями оптических и механических свойств
кварцевых стекол и материалов на их основе.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены
следующие задачи:
1. Выявить радиационно-индуцированные изменения оптических свойств
кварцевых стекол с различным примесным составом, с Al2O3, Nd2O3, Gd2O3.
2. Определить нано-неоднородную структуру кварцевых стекол с помощью
рентгеноструктурного анализа.
3. Установить влияние нано-неоднородной структуры силикатных стекол на
радиационно-наведенное оптическое поглощение в области фундаментального края
после гамма-облучения.
4. Выявить изменение механических свойств стекол, упругость и
микропластичность, при ионизирующем облучении протонами.
5. Разработать и изготовить композиционный материал на основе кварцевого
стекла и определить изменение его механических свойств после гамма-облучения.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
1. Обнаружено соответствие между размерами доменов d в нано-неоднородной
структуре кварцевых стекол и размерами областей когерентного рассеяния света в
облученных кварцевых стеклах. Оптические потери в гамма-облучённых кварцевых
легированных стеклах пропорциональны d4.
2. Предложен механизм радиационного упрочнения кварцевых стекол за счет
кулоновских напряжений, возникающих в результате радиационно-индуцированного
разделения электрического заряда на структурных нано-неоднородностях. Величина
механических напряжений в результате радиационно-индуцированного кулоновского
упрочнения может достигать значений до 400 МПа.
3. С помощью акустомеханических измерений в условиях интенсивного
облучения протонами в кварцевом стекле обнаружена доза достижения
максимального радиационного упрочнения 106 Гр. До этой дозы при постоянном
модуле Юнга происходит уменьшение декремента акустических колебаний.
4. Экспериментально показано увеличение предела прочности
композиционного материала на основе наполнителя из кварцевого волокна и
неорганического связующего после гамма-облучения. Значения максимального
упрочнения находятся в пределах расчетов кулоновского упрочнения силикатного
стекла.
Теоретическая и практическая значимость работы определяется в
следующем:
– показано, как использовать результаты рентгеноструктурного анализа
кварцевых стекол для предсказания радиационных изменений их свойств,
– причиной радиационного упрочнения кварцевых стекол являются
индуцированные кулоновские напряжения, способ оценки которых предложен в
работе,
– разработан высокотемпературный, радиационно-стойкий композиционный
материал на основе наполнителя из кварцевого волокна и неорганического
связующего.
Методология и методы исследования. Работа выполнена с использованием
современных физических методов исследования, что наряду с подробным
теоретическим обоснованием наблюдаемых закономерностям свидетельствует о
высокой степени достоверности полученных результатов. Основные результаты
диссертации были изложены в статьях, опубликованных в рецензируемых научных
журналах, патентах, а также доложены и обсуждены на научно-технических
конференциях.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Соответствие между собой размеров областей когерентного рассеяния
рентгеновского излучения, определяющие величину нано-неоднородностей
структуры, и областей когерентного рассеяния света, определяющие оптические
потери, в облученных легированных кварцевых стеклах.
2. Механизм радиационного упрочнения в результате разделения
электрического заряда и наведения кулоновских напряжений в нано-неоднородной
структуре кварцевых стёкол.
3. Расчётное и экспериментальное определение предельной дозы и величины
радиационного упрочнения кварцевого стекла и материала на его основе.
4. Способ получения высокотемпературного, радиационно-стойкого
композиционного материала на основе наполнителя из кварцевого волокна и
неорганического связующего.
5. Результаты определения радиационного упрочнения композиционного
материала на основе стекло-кварцевого наполнителя.
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием
комплекса различных экспериментальных методов исследований (рентгенография,
оптическая спектроскопия, физико-механические измерения, в том числе
непосредственно в условиях ионного облучения), теоретического обоснования, а
также тем, что основные закономерности радиационно-индуцированных изменений
свойств материалов были установлены как в процессе непосредственного
радиационного воздействия, так и в результате пострадиационных исследований. В
диссертационной работе соблюдается системность исследований.
Личный вклад автора. Автор лично участвовал в постановке задач, провел
эксперименты, расчеты и обработку полученных результатов, а также принимал
участие в их анализе. Постановка задачи о влияние нано-неоднородной структуры
силикатных стекол на радиационно-наведенное оптическое поглощение в области
фундаментального края после гамма-облучения обсуждалась с В.А.Степановым, а
изменение механических свойств стекол, упругость и микропластичность, при
ионизирующем облучении протонами – с П.В.Деменковым, разработка и
изготовление композиционного материал на основе кварцевого стекла – с
П.А.Степановым, что отражено в совместных публикациях.
Научно-исследовательская работа производилась на базе отделения лазерных и
плазменных технологий Обнинского института атомной энергетики – филиала
федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего
образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
(ИАТЭ НИЯУ МИФИ).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на: XI-XVI международных семинаров
«Структурные основы модифицирования материалов» (Обнинск, 2013 – 2021 гг.), ХХ
и XXI международных конференциях «Конструкции и технологии получения изделий
из неметаллических материалов» (Обнинск, 2014 и 2016 гг.), XV международной
конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров» (Обнинск, 2018 г.), на
международном форме «Ключевые тренды в композитах: наука и технологии»
(Москва, 2019 г.), отраслевом научном семинаре Госкорпорации «Росатом» «Физика
радиационных повреждений материалов атомной техники», (Обнинск, 2021 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе
3 статьи в ведущих рецензируемых журналах из Перечня ВАК, 2 патента, 5 работ в
иностранных журналах и тезисах докладов на международных научно-технических
конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В первой главе рассмотрены
известные результаты экспериментальных и теоретических исследований структуры
неорганических стекол на атомном и нано- уровнях, ее влиянии на оптические
свойства в области края фундаментального оптического поглощения, в том числе
после ионизирующего действия радиационного облучения. Во второй главе
приведены результаты исследований радиационных изменений оптических свойств
силикатных стекол, у которых различалась исходная наноструктура из-за легирования
примесями Al2O3, Ga2O3, Nd2O3. В третьей главе предложен механизм возникновения
индуцированных облучением внутренних механических напряжений в стекле
(радиационно-индуцированное кулоновское упрочнение), приведены оценки и
результаты измерений механических свойств кварцевого стекла непосредственно под
действием мощного протонного облучения. В четвертой главе описана разработка
высокотемпературного радиационно-стойкого композиционного материала ХАФСкв,
а также результаты исследований изменений его механических свойств после
облучения на гамма-источнике 137Cs.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка
литературы. Общий объем диссертации составляет 102 страницы, включая 61 рисунок
и 3 таблицы, список сокращений. Список литературы содержит 81 источник.
1. Иванов Г.А., Первадчук В.П. Технология производства и свойства кварцевых
оптических волокон: учебное пособие. Пермь: Изд-во Пермского нац. исслед.
политехнического ун-та, 2011. 170 с.
2. Таганцев Д.К. Стеклообразные материалы: учебное пособие. СПб.: Изд-во
Политехн. ун-та, 2010. 204 с.
3. Гуртов В.А. Оптоэлектроника и волоконная оптика : учебное пособие.
Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2007. 243 с.
4. Fluoride glasses as materials for radiation optics / V.A. Stepanov [et al] // Proc.
of XIIIth Int. Symposium on Non-Oxide Glasses and New Optical Glasses, Pardubice,
Czech Republic. 2002. Part II. pp. 674-677
5. Степанов В.А. Радиационно-индуцированные изменения оптических
свойств стекол // Инженерные проблемы термоядерных реакторов: Тез. докл. 7
Межд. Конф. С. Петербург. 2002. C. 195.
6. Казьмина О.В, Беломестнова Э.Н., Дитц. А.А. Химическая технология
стекла и ситаллов : учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2011. 170 с.
7. Вильчинская С.С., Лисицын В.М. Оптические материалы и технологии :
учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011.
107 с.
8. Материаловедение и технология оптических и конструкционных
материалов : технология оптических деталей : учеб. пособие / З.А. Насыров [и др.].
Казань : Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2005. 137 с.
9. Немилов С. В. Оптическое материаловедение. Физическая химия стекла :
учебное пособие. СПб : Университет ИТМО, 2009. 113 с.
10. Орликов Л.Н. Основы технологии оптических материалов и изделий.
Томск : Томскийгосударственныйуниверситетсистемуправленияи
радиоэлектроники, 2012. 88 с.
11. Шелби Дж. Структура, свойства и технология стекла / пер. с англ.
Е.Ф. Медведева. М. : Мир, 2006. 288 с.
12. Гулоян Ю.А. Физико-химические основы технологии стекла : учебное
пособие в учебных заведениях (ВУЗах, колледжах), система научного и
производственного обучения. Владимир: Транзит икс, 2008. 288 с.
13. Губанова Л.А. Оптические технологии. СПб : Санкт-Петербургский
национальный исследовательский университет информационных технологий,
механики и оптики, 2018. 62 с.
14. Власова С.Г. Основы химической технологии стекла : учебное пособие.
Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2013. 108 с
15. Рассеяние света в твердых телах: монография / М. Кордона [и др.]; под
общ. ред. М. Кордоны : пер. с англ. Б.Х. Байрамова, З.М. Хашхожева. М. : Мир,
1979. 392 с.
16. Малиновский В.К., Новиков В.Н. О наноструктуре неупорядоченных тел
// Успехи физических наук. 1993. Т. 16. №. 5. С. 119-124.
17. Овсюк Н.Н. Новиков В.Н. Влияние степени разупорядоченности
аморфных твердых тел на интенсивность рассеяния света акустическими фононами
// Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1998. Т. 114. № 1. С. 315-
321.
18. Изучение аморфных состояний SiO2 методом комбинационного
рассеяния света / В.К. Малиновский [и др.] // Физика твердого тела. 2000. Т. 42.
№ 1. С. 62-68.
19. Бозонный пик в спектрах комбинационного рассеяния стекол AsxS1-x /
Д. Арсова [и др.] // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39. № 8. С. 995-
997.
20. Коршунов М.А. Шабанов В.Ф. Бозонный пик в низкочастотных спектрах
комбинационного рассеяния света полиметилметакрилата // Автометрия. 2016.
Т. 52. № 6. С. 61-66.
21. Арбузов В.И. Основы радиационного оптического материаловедения :
учебное пособие. – СПб : Университет ИТМО, 2008. 286 с.
22. Эфрос А.Л. Плотность состояний и межзонное поглощение света в сильно
легированных полупроводниках // Успехи физических наук. 1973. Т. 111. № 3.
С. 451-482.
23. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников: монография. М.:
Наука, 1977. 366 с.
24. Оптические свойства полупроводников : справочник / В.И. Гавриленко,
[и др.]. Киев: Наукова думка. 1987. 607 с.
25. Плаксин О.А., Степанов В.А., Манухин А.В. Влияние несовершенства
кристаллическойструктурынакоэффициентпоглощениявобласти
фундаментального края // Оптика и спектроскопия. 1989. Т. 66. № 6. С.1381-1383.
26. Абдукадырова И.Х. Влияние радиации на оптические характеристики
кварцевого стекла // Атомная энергия. 1985. Т. 59. № 2. С141-142.
27. Богачев К.В., Марукович Н.И. Методы статического и динамического
рассеяния света для исследования наночастиц и макромолекул в растворах: учебно-
методическое пособие. М. : МФТИ, 2016. 40 с.
28. Степанов В.А., Шуткина О.В., Исаев Е.И. Радиационные изменения
оптических свойств силикатных стекол с примесями редкоземельных элементов //
Структурные основы модифицирования материалов : Тез. докл. XII Межд.
семинара. Обнинск. 2013. С. 15.
29. Степанов В.А., Никулина О.В. Радиационные изменения оптических
свойств стекол с примесями редкоземельных элементов // Безопасность АЭС и
подготовка кадров : Тез. докл. XV Межд. конф. Обнинск. 2018. С. 246-247.
30. Никулина О.В, Степанов В.А., Деменков П.В. Радиационное упрочнение
и оптические свойства материалов на основе SiO2 // Известия высших учебных
заведений. Ядерная энергетика. 2021. № 1. С. 143-153.
31. Nikulina O. V., Stepanov V. А., Demenkov P. V. Radiation hardening and
optical properties of materials based on SiO2 // Nuclear Energy and Technology. 2021.
Nо 7 (2). Р. 145-150.
32. Яковлев В.А. Основы оптоволоконной технологии // В записную книжку
инженера.2002.URL:http://www.cta.ru/cms/f/340841.p(датаобращения:
05.08.2021).
33.Коэффициентырелеевскогорассеянияввысоколегированных
одномодовых германо- и фосфоро-силикатных световодах / М.Е. Лихачев [и др.] //
Исследовано в России. 2005. № 8. С. 67-77.
34.Определениевеличинынаноразмерныхнеоднородностейв
рассеивающих и поглощающих средах / Д.Н. Вавулин [и др.] // Наносистемы:
физика, химия, математика. 2012. №3. С. 20-27.
35. Камерон Дж.Г., Паттерсон А.Л. Рентгенографическое определение
размеров частиц // Успехи физических наук. 1939. Т.22. № 4. С.442-448.
36. Плясова Л.М. Введение в рентгенографию катализаторов : учебное
пособие. Новосибирск : Институт катализа им. Г.К.Борескова, 2010. 58 с.
37. Алешина Л.А., Фофанов А.Д. Степень кристалличности целлюлозных
материалов и определение размеров областей когерентного рассеяния // Химия и
технология растительных веществ: Тез. докл. II Всеросс. конф. Казань. 2002.
С. 145-146.
38. Тауц Я. Оптические свойства полупроводников в видимой и
ультрафиолетовой областях спектра // Успехи физических наук. 1968. Т. 94. № 3.
С.501-534.
39. Трушин В.Н., Андреев П.В., Фаддеев М.А. Рентгеновский фазовый
анализ. Нижний Новгород : Изд-во Нижегородского госун-та, 2012. 89 с.
40. Современные методы структурного анализа в материаловедении :
учебное пособие / С.Н. Кульков [и др.]. Томск : Изд-во Томского политехнического
ун-та. 2011. 83 с.
41. Бояркина О.В., Зотов М.И., Кяшкин В.М. Физические методы
исследования твердых тел: электронная и рентгеноструктурный анализ : учебное
пособие. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2012. 96 с.
42. Савицкая Л.К. Рентгеноструктурный анализ : учебное пособие. Томск :
СКК-Пресс. 2006. 172 с.
43. МИНКРИСТ база кристаллографических данных. URL:database.iem.ac.ru
(дата обращения: 20.01.2021).
44. Electrical and optical characteristics of dielectrics for fusion use under irradiation
/ V.M. Chernov [et al.] // Journal of Nuclear Materials. 1998. Vol. 253. P. 175-179.
45. Plaksin O.A., Stepanov V.A. Radiation-induced electrical and optical processes in
the materials based on Al2O3 // Оптика и спектроскопия. 2001. Vol. 90. No 4. P. 612-621.
46. Optical and electrical phenomena in dielectric materials under irradiation /
O.A. Plaksin [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B:
Beam Interactions with Materials and Atoms. 2002. Vol. 193. No 1-4. P. 265-270.
47. Плаксин О.А., Степанов В.А. Радиационно-индуцированные электрические
и оптические процессы в материалах на основе Al2O3. // Оптика и спектроскопия.
2001. Т. 90. № 4. С.612-621.
48. Кинетика люминесценции кварцевых стекол при облучении протонами /
П.В. Деменков [и др.] // Письма в Журнал технической физики. 2000. Т. 26. № 11.
С. 57-61.
49. Luminescence Kinetics in Proton-Irradiated Quartz Glasses. / P.V. Demenkov, [et
al] // Technical Physics Letters. 2000. Vol. 26. No 6. Р.475-477.
50. Никаноров С.П., Кардашев Б.К. Упругость и дислокационная неупругость
кристаллов. М. : Наука, 1985. 256 с.
51. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных
акустических волнах: Материалы, технологии, конструкция, применение:
монография / пер. с чешского И.А. Рокоса. М. : Мир, 1990. 584 с.
52. Кардашев Б.К. Фотоакустический эффект и спектр люминесценции
кристалла HgI2. Обнинск. 1996. 13 с. (Препринт Физико-энергетического института,
2517).
53. Влияние акустической деформации на радиационно-индуцированную
люминесценцию пиролитического нитрида бора. / Б.К. Кардашев [и др.] // Физика
твердого тела. 2001. Т. 43 № 11. С. 2003-2009.
54. Kardashev B.K., Demenkov P.V., Plaksin O A. Effect of Acoustic Strain on the
Radiation-Induced Luminescence of Pyrolithic Boron Nitride // Physics of the Solid State.
2007. Vol. 43. No. 11. Р.2087–2093.
55. Волкова Е.В., Оболенский С.В. Метод Монте-Карло в задачах
моделирования структуры кластеров радиационных дефектов. Применение
технологии высокопроизводительных вычислений: учебное пособие. Нижний
Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2014. 81 с.
56. Разработка термостойких композиционных материалов и покрытий /
О.В. Шуткина [и др.] // Конструкции и технологии получения изделий из
неметаллических материалов: Тезисы докладов XX Межд. научно-технической
конф. Обнинск. 2013. С.282-283.
57. Разработка термостойких композиционных материалов и покрытий /
О.В. Шуткина [и др.] // Структурные основы модифицирования материалов МНТ-
XII: Тезисы докл. XII межд. семинара. Обнинск. 2013. С. 50.
58.Разработкавысокотемпературныхкомпозиционныхматериалов
теплозащитного и радиотехнического назначения / О.В.Шуткина [и др.] //
Перспективные материалы. 2014. № 10. С.17 – 21.
59. Способ получения радиотехнического материала: патент № 2544356 РФ /
О.В.Шуткина [и др.]. Заявл. 05.03.2014; опубл. 20.03.2015. Бюл. № 8
60. Способ получения высокотермостойкого радиопрозрачного материала
(изделия) на основе фосфатного связующего и кварцевой ткани: патент № 2596619
РФ / О.В. Никулина [и др.]. Заявл. 03.08.2015; опубл. 10.09.2016. Бюл. № 25
61. Разработка новых термостойких композиционных материалов для
радиопрозрачных конструкций летательных аппаратов / О.В. Никулина [и др.] //
Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов:
Тез. докл. XX межд. научно-технической конф. Обнинск. 2016. С. 272-274.
62. Nikulina O.V., Stepanov P.А., Atroshchenko I.G. Ceramic matrix composite
materials for structural elements of aviation and rocket-space equipment // Электронный
журнал: IOP Conference series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 934.
URL. https://iopscience.iop.org/issue/1757-899X/934/1 (дата обращения 08.10.2020)
63. Разработка и оптимизация термических характеристик термостойкого
многослойного композиционного материала для применения в конструкциях
элементов летательных аппаратов / О.В. Никулина [и др.] // Современные
технологии композиционных материалов: Тез. докл. VI Всеросс. научно-
практической молодежной конф. с межд. участием. Уфа. 2021. С.29-34.
64. Бондалетова Л.И. Полимерные композиционные материалы (часть 1):
учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического ун-та, 2013. 118 с.
65.АдаменкоН.А.,АгафоноваГ.В.,ФетисовА.В.Полимерные
композиционные материалы : Учебно-методическое пособие. Волгоград :
Волгоградский государственный технический университет, 2016. 96 с.
66.ШевченкоВ.Г.Основыфизикиполимерныхкомпозиционных
материалов: учебное пособие. М.: изд-во МГУ, 2010. 98 с.
67.Полимерныекомпозиционныематериалы:структура,свойства,
технология : учебное пособие / М.Л. Кербер [и др.] ; под общ. ред. Берлина А. А.
СПб : Из-во «Профессия», 2008. 557 с.
68. Баурова Н.И. Применение полимерных композиционных материалов при
производстве и ремонте машин: учебное пособие. М.: МАДИ, 2016. 264 с.
69. Михайлин, Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные
материалы. Учебное пособие. СПб : Научные основы и технологии, 2010. 822 с.
70. Огневой В.Я. Машиностроительные материалы: учебное пособи.
Барнаул: изд-во АлтТГУ, 2002. 343 с.
71. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация: учебник для
ВУЗов. М. : изд-во МИСиС, 1997. 527 с.
72. Пикаев А.К. Современная радиационная химия: Твердое тело и
полимеры. Прикладные аспекты. М.: Наука, 1987. 448 с.
73. Бах Н.А., Медведовский В.И., Сараева В.В. Радиолиз и радиационное
окисление органических соединений // Организации объединенных наций по
применению атомной энергии в мирных целях : Труды всесоюзного совещания по
радиационной химии, Женева : Изд-во АН СССР, 1959. С. 229-232.
74.Ястребинский,Р.Н.,ПавленкоВ.И.Радиационно-стойкий
конструкционныйкомпозиционныйматериал.Белгород:Белгородский
государственный технологический ун-т, 2017. 92 с.
75. Копейкин В.А., Петрова А.П., Рашкован И.Л. Материалы на основе
металлофосфатов. М. : Химия, 1976. 199 с.
76. Алюмофосфатные связующие / А.В. Бромберг [и др.] // Изв. АН ССР
Неорганические материалы. 1969. Т. 5. №4. С.805-807.
77.Композициядляизготовлениявысокотемпературного
электроизоляционного стеклотекстолита: патент № 2076086 РФ / И.А. Захаров [и
др.]. Заявл. 11.02.1993; опубл. 27.03.1997.
78.Физико-химическиеособенноститверденияалюмофосфатной
композиции / Э. А. Хайдаршин [и др.] // Вестник Башкирского университета. 2016.
№ 1. С. 27-31.
79.Композиционныематериалыдлярадиопрозрачныхобтекателей
летательных аппаратов / О.В. Шуткина [и др.] // Новые огнеупоры. 2014. № 10.
С.19-23.
80. Материаловедение и технология композиционных материалов : учебник для
студентов вузов, / А.Г. Кобелев [и др.]. Москва : ООО “Интермет Инжиниринг”. 2006.
366 с.
81. Любин Дж. Справочник по композиционным материалам: в 2-х кн. Кн. 1/
пер. с англ. А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта. М.: Машиностроение, 1988. 418 с.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (17 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
5 (9 отзывов)
4 (15 отзывов)
5 (188 отзывов)
4.7 (18 отзывов)
5 (158 отзывов)
5 (91 отзыв)
