Влияние гамма- и бетта-излучения на активность микропорошков алюминия

Цель работы заключалась в экспериментальном определении изменения реакционной способности микропорошков алюминия после гамма- и бетта-облучения. В работе представлены результаты исследований облученных микропорошков алюминия марок А6, А6М, А8 и А10, в сравнении со свойствами необлученных, исследовано влияние гамма- и бетта-облучения-облучения на параметры активности микропорошков алюминия: температуру начала окисления (tно), максимальную скорость окисления (Vmax), степень окисленности и удельный тепловой эффект окисленности (Н).

Введение…………………………………………………………………………………………………………………………………… 13
Глава 1 Действие ионизирующего излучения на металлы …………………………………………………………… 16
1.1 Действие γ-излучения …………………………………………………………………………………………………….. 16
1.2 Действие β-излучения …………………………………………………………………………………………………….. 17
1.3 Генерирование дефектов структуры в металлах под действием ионизирующего излучения 20
1.4 Физико-химические свойства облученных металлов в компактном состоянии и в виде
порошков ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 25
1.5 Повышение запасенной энергии в порошках после облучения ………………………………………… 26
1.6 Обоснование цели и задач ………………………………………………………………………………………………. 28
Глава 2 Использованное оборудование и методики исследований………………………………………………. 29
2.1 Электронный лучевой ускоритель ЭЛУ-4 …………………………………………………………………………….. 29
2.1.1 Схема установки……………………………………………………………………………………………………………….. 29
2.1.2 Физический принцип работы электронного лучевого ускорителя……………………………………….. 31
2.2 Гамма-излучатель ОСГИ ……………………………………………………………………………………………………… 31
2.2.1 Схема установки……………………………………………………………………………………………………………….. 31
2.2.2 Физический принцип работы гамма-излучателя …………………………………………………………………. 33
2.3 Сканирующий электронный микроскоп ……………………………………………………………………………….. 36
2.3.1 Схема установки……………………………………………………………………………………………………………….. 36
2.3.2 Физический принцип работы сканирующего электронного микроскопа ……………………………… 38
2.4 Рентгеновский дифрактометр ………………………………………………………………………………………………. 40
2.4.1 Схема установки……………………………………………………………………………………………………………….. 40
2.4.2 Физический принцип работы дифрактометра …………………………………………………………………….. 42
2.5 Термоанализатор …………………………………………………………………………………………………………………. 45
2.5.1 Схема установки……………………………………………………………………………………………………………….. 45
2.5.2 Физический принцип работы термоанализатора ………………………………………………………………… 46
2.5.3 Дифференциально-термический анализ …………………………………………………………………………….. 47
2.5.4 Параметры оценки качества пассивирования порошка ……………………………………………………….. 49
2.6 Характеристики и методики облучения порошков ………………………………………………………………… 51
Глава 3 Изменение структуры и состояния микронных порошков до и после облучения …………….. 54
3.1 Облучение γ-излучением: микропорошков алюминия в условно герметичной таре ……………….. 54
3.2 Облучение β-излучением: 1, 2, 4 Мрад в условно герметичной таре………………………………………. 55
3.3 Анализ облученных образцов с помощью сканирующей электронной микроскопии ……………… 56
3.4 Рентгенофазовый анализ микропорошков алюминия ……………………………………………………………. 58
3.5 Выводы по главе 3……………………………………………………………………………………………………………….. 61
Глава 4 Влияние излучения на термическую устойчивость микронных порошков алюминия после
облучения β- и ɣ-излучениями …………………………………………………………………………………………………… 62
4.1 Температура начала окисления…………………………………………………………………………………………….. 62
4.2 Максимальная скорость окисления ………………………………………………………………………………………. 66
4.3 Степень окисленности микропорошков………………………………………………………………………………… 67
4.4 Удельный тепловой эффект окисления (до 1250 ˚С) ……………………………………………………………… 68
4.5 Выводы по главе 4………………………………………………………………………………………………………….. 70
Глава 5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ………………………… 73
5.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………………………………………………….. 74
5.1.1 Анализ конкурентных технических решений …………………………………………………………………….. 75
5.1.2 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………………………………………………. 78
5.2 Планирование управления научно-техническим проектом ……………………………………………………. 81
5.2.1 Иерархическая структура работ проекта ……………………………………………………………………………. 81
5.2.2 Контрольные события проекта ………………………………………………………………………………………….. 81
5.2.3 План проекта…………………………………………………………………………………………………………………….. 82
5.3 Бюджет научного исследования …………………………………………………………………………………………… 85
5.3.1 Расчёт материальных затрат………………………………………………………………………………………………. 85
5.3.2 Основная заработная плата исполнителей темы …………………………………………………………………. 87
5.3.3 Дополнительная заработная плата исполнителей темы ………………………………………………………. 89
5.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды ……………………………………………………………………………….. 90
5.3.5 Накладные расходы…………………………………………………………………………………………………………… 91
5.3.6 Формирование бюджета затрат исследовательского проекта………………………………………………. 92
5.4 Организационная структура проекта ……………………………………………………………………………………. 92
5.5 Матрица ответственности ……………………………………………………………………………………………………. 93
5.6 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования ……………………………………………………………………………. 95
Глава 6 Социальная ответственность ……………………………………………………………………………………….. 101
6.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой производственной среды ……………….. 101
6.1.1 Метеоусловия …………………………………………………………………………………………………………………. 101
6.1.2 Вредные вещества …………………………………………………………………………………………………………… 102
6.1.3 Производственный шум ………………………………………………………………………………………………….. 106
6.1.4 Тепловое излучение ………………………………………………………………………………………………………… 107
6.1.5 Освещенность …………………………………………………………………………………………………………………. 108
6.2 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой производственной среды ……………….. 112
6.2.1 Факторы электрической природы…………………………………………………………………………………….. 112
6.2.2 Факторы пожарной и взрывной природы …………………………………………………………………………. 114
6.3 Охрана окружающей среды………………………………………………………………………………………………… 116
6.4 Защита в ЧС ………………………………………………………………………………………………………………………. 116
6.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……………………………………… 117
Заключение …………………………………………………………………………………………………………………………….. 119
Выводы по диссертации ………………………………………………………………………………………………………….. 121
Список публикаций студента …………………………………………………………………………………………………… 124
Список использованных источников ……………………………………………………………………………………….. 124
Приложение А Раздел ВКР на иностранном языке …………………………………………………………………… 128
Приложение Б Термограммы исходных образцов микропорошков алюминия …………………………… 153
Приложение В Термограммы микропорошков алюминия после бета-облучения ………………………. 155
Приложение Г Термограммы микропорошков алюминия после гамма-облучения …………………….. 161

Проблема в использовании алюминия как горючего заключается в
определении активности порошков алюминия. В процессах окисления алюминия
необходима высокая скорость, а при получении, хранении, переработке и
транспортировке порошков алюминия желательна их пониженная активность.

Под активностью подразумевается содержание металлического алюминия в
порошке [44], не вызывающее проблем в случае грубодисперсных порошков. С
увеличением дисперсности порошков происходит снижение содержания
металла, но возможно увеличение скорости окисления. Существенная проблема
при использовании грубодисперсных порошков заключается в агломерации, не
догорании и двухфазных потерях [45]. Повысить активность грубодисперсных
порошков можно сплавлением с редкоземельными элементами, легирование
поверхности частиц тугоплавкими металлами, введением в порошки
катализаторов окисления. У всех этих методов есть один недостаток: вводимые
дополнительные компоненты являются энергетическим балластом, снижающим
теплоту сгорания горючего. Другим способом повышения реакционной
способности порошков алюминия за счет увеличения площади их поверхности
является использованием пудр (частицы-чешуйки). Однако плоские частицы
пудр ухудшают физико-механические характеристики топливных композиций и
увеличивают пожаро- и взрывоопасность при переработке последних. В связи с
этим актуальной проблемой является использование новых видов сферических
алюминиевых порошков, сочетающих в себе высокую активность при
относительно высоком содержании металла. В нашем случае выбраны
микронные порошки алюминия А6, А6М, А8 и А10, полученные распылением
расплава алюминия в г. Шелехов (Иркутский алюминиевый завод).

Исходя из всего вышеизложенного, интерес представляет повысить
реакционную способность путем облучения ионизирующими β- и γ-излучениями
микронных порошков алюминия. Целью данной работы было экспериментально
определить изменение реакционной способности микропорошков алюминия
после - и - облучения. Для достижения поставленной цели были поставлены
следующие задачи:

1) Рассчитать параметры активности исходных образцов порошков алюминия;

2) Облучить образцы порошков алюминия ɣ-излучением в условиях
ограниченного доступа воздуха (дозы – 1, 2, 4, 8 и 10 Мрад);

3) Облучить образцы потоком β-излучения (дозы – 1, 2 и 4 Мрад);

4) Экспериментально исследовать облученные образцы А6, А6М, А8, А10
методами ДТА и сравнить по четырем параметрам активности с исходными
порошками;

5) Определить закономерности действия излучений на микропорошки.

Для определения активности порошков предлагается использовать
следующие параметры: температуру начала окисления, максимальную скорость
окисления, степень превращения (степень окисленности) алюминия в
определенном температурном интервале, приведенный тепловой эффект –
отношение площади экзо-эффекта под кривой ДТА к приросту массы. Такие
параметры для оценки активности порошков были получены при обработке
результатов неизотермического окисления в условиях программируемого
нагрева (окислитель-воздух).
Выводы по диссертации
1. На основе анализа данных установлено, что в сравнении с металлами в
массивном состоянии β- и γ-облучение оказывает влияние на реакционную
способность микропорошков алюминия А6, А6М, А8 и А10 при окислении в
воздухе.

2. Экспериментально показано, что микропорошки алюминия имеют
дисперсность, такую же, как и до облучения β- и -излучением, дозами 1, 2, 3, 4,
8 и 10 Мрад. Спекания микропорошков не наблюдалось, как и уменьшения
размера частиц, даже при максимальных дозах облучения. В целом
микроструктура и субструктура микропорошков после воздействия
ионизирующих излучений заметно не менялась.

3. Установлено, что снижение температуры начала окисления
исследуемых порошков после бета-облучения наблюдалось максимально после
облучения дозой 1 Мрад для микропорошков алюминия А6, А6М, А8 и А10,
соответственно, на 205, 140, 100 и 85 °С. После гамма-облучения максимальное
снижение температуры начала окисления наблюдалось после облучения дозой 1
Мрад для микропорошков А6 и А6М, соответственно, на 100 и 85 °С, для А8,
А10 при 10 Мрад – на 85 и 40 °С, соответственно.

4. Показано, что максимальная скорость окисления исследуемых
микропорошков алюминия после бета-облучения возросла на 0,05; 0,09; 0,19 и
0,09 мг/мин. Максимум скорости окисления для порошков А6, А6М, А8
наблюдался после бета-облучения дозой 2 Мрад, а для порошка А10 после дозы
1 Мрад. Максимальная скорость окисления микропорошков алюминия А6М и
А8 после гамма-облучения дозой 1 Мрад увеличилась на 0,07 и 0,02 мг/мин, для
образцов А6 и А10 – после облучения дозами 10 и 2 Мрад, соответственно, на
0,1 и 0,05 мг/мин.
5. Показано экспериментально, что степень окисленности изучаемых
микропорошков после их бета-облучения дозой 2 Мрад возросла на 3,7%; 18,9%;
4,2%, соответственно, для порошков А6, А6М, А8, а для порошка А10 степень
окисленности уменьшилась на 12,3%. После гамма-облучения степень
окисленности микропорошка алюминия А6 возросла на 5,03% при облучении
дозой 10 Мрад. Степень окисленности микропорошков алюминия А6М, А8, А10
уменьшилась на 1,31%; 9,52%; 6,19%, соответственно, при облучении дозами 10,
8, 8 Мрад;
6. Согласно ранее проведенным исследованиям установлено, что в
результате облучений в частицах алюминия сформировался двойной
электрический слой с запасенной энергией. За величину запасенной энергии
принимали разность между тепловым эффектом при окислении облученного
образца и тепловым эффектом при окислении исходного необлученного образца.
После β-облучения удельный тепловой эффект окисления изучаемых порошков
алюминия превышает тепловой эффект окисления на: 174,0; 57,3; 179,4; 188,6
кДж/моль после облучения микропорошков А6, А8, А10 дозой 2 Мрад, а для
порошка А6М – после облучения дозой 4 Мрад. После гамма-облучения
тепловой эффект окисления исследуемых микропорошков алюминия равен:
199,5; 139,8; 94,4; 204,8 кДж/моль. Эти максимальные значения были получены
после облучения микропорошков алюминия А6, А6М – дозой 10 Мрад, А8 – 1
Мрад, А10 – 2 Мрад. Полученные данные объясняются стабилизацией
накопленной энергии в двойном электрическом слое с положительным зарядом
в приповерхностном слое частицы алюминия.

7. Активированные микропорошки алюминия будут эффективно
использоваться в различных областях современной техники: в 3D-печати
изделий, в изготовлении деталей в аддитивных технологиях, в водородной
энергетике и для приготовления высокоэнергетических материалов, в
технологических процессах и порошковой металлургии. Проблема в
использовании алюминия как реагента заключается в повышении активности
порошков алюминия. В процессах окисления алюминия необходима высокая
скорость: для этого необходимо повысить реакционную способность путем
облучения ионизирующим β- и γ-излучением. При получении, хранении,
переработке и транспортировке микропорошков алюминия желательна их
пониженная активность. Облучение повышает реакционную способность
порошков, что снижает время и температуру процессов в порошковой
металлургии и других областях использования.
Список публикаций студента

1. Рузиева Г. У., Ильин А. П., Исмаилов Д. В. // Действие электронного и
гамма облучений на микропорошки алюминия // Тезисы IV
Международных Фарабиевских чтений. – Алматы. – 10 – 13 апреля 2017 г.
– С. 336
2. In the press. Rusieva G., Ismailov D., Ilyin A., Mostovshchikov A., Tronin B.,
Kupchishin A. // The Influence of the High-energy Electron Beam Irradiation on
the Thermal Properties of the Aluminum Micron Powders // Тезис на The 6th
International Conference on Nanomaterials and Advanced Energy Storage
Systems (INESS-2018).