Сейчас во многих областях промышленности широко применяются композиты на основе природных материалов, таких как базальт. Из него производят детали автомобилей, морских судов, трубопроводы и даже протезы. Но использование базальт-композита часто ограничено его недостаточной прочностью. Уже доказано, что повлиять на свойства материала можно с помощью гамма-облучения. Оно может как улучшить, так и ухудшить прочностные характеристики. Однако как именно меняется его микроструктура под воздействием радиации, пока не ясно.

Ученые Пермского Политеха изучили, как различные дозы облучения воздействуют на свойства базальт-композита на молекулярном уровне. Исследование позволит точнее подбирать условия для радиационного усовершенствования материалов, чтобы производить промышленные изделия с требуемыми свойствами.

Статья опубликована в журнале «Цифровая наука». Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках программы деятельности Пермского НОЦ «Рациональное недропользование» и проекта Международной исследовательской группы.

Базальт – это наиболее распространенная порода в составе земной коры. По своей сути это магма, излившаяся из жерл вулканов и застывшая камнем. Его месторождения есть практически во всех странах, их запасы огромны, поэтому использование такого материала в промышленности экономически выгодно.

Благодаря своим уникальным свойствам и сравнительной дешевизне базальт – один из самых востребованных материалов. Он экологически чистый, не горит и выдерживает температуры до 400 ℃, прочен, устойчив к механическим и химическим воздействиям. Базальтовые волокна широко применяются в автомобильной, аэрокосмической, нефтегазовой отрасли, строительстве и медицине. Они используются при армировании бетона, производстве цистерн и баллонов, протезов, конструировании элементов морских судов и трубопроводов.

Чем надежнее материал, тем шире сфера его применения. Научное сообщество активно исследует способы повышения прочности современных композитов, используя в том числе гамма-облучение. Уже известно, что оно может улучшить упругие и прочностные характеристики базальт-композита. Однако существует риск деструктивных изменений, поэтому важно разобраться, как именно гамма-кванты воздействуют на структуру композита в микромасштабе.

«Мы облучили образцы композиционного материала, состоящего из эпоксидного связующего и базальтового ровинга (жгута из волокон). С помощью сканирующей электронной микроскопии изучили локальный элементный состав композита при нарастающих дозах облучения», – рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Владимир Онискив.

Ученые выделили три группы образцов. Первая не облучалась, а использовалась для сравнения характеристик. На остальные воздействовали гамма-квантами в различных дозах (5, 10 и 15 Мрад). Время испытания зависело от запланированной дозы, например, до 15 Мрад образец облучался в течение 14 дней.

Сканирующая электронная микроскопия показала, что радиационное воздействие меняет состав материала. При дозе в 5 Мрад массовая доля углерода в эпоксидной части резко снижается, но увеличивается доля кислорода и появляется кремний. В базальте, наоборот, доля углерода увеличивается, а кислорода и кремния – снижается. Это говорит о том, что в материале формируются новые межмолекулярные связи (сшивка) с образованием органо-силикатно-кремниевых соединений, что приводит к упрочнению композита.

При дальнейшем облучении до 10 Мрад сшивка продолжается, но ее скорость заметно снижается. Поглощаемая энергия облучения становится уже избыточной. Доза 15 Мрад приводит к обратному процессу – деструкции композита.

Исследование ученых Пермского Политеха позволяет на молекулярном уровне обосновать, как гамма-кванты влияют на базальт-композиты. Политехники рекомендуют такой способ модификации материала для его упрочнения. Однако доза облучения не должна превышать 10 Мрад, а мощность излучения – 12 рад/сек. Результаты исследования помогут создавать ответственные изделия с улучшенными механическими свойствами.