Радиационная стойкость твердых материалов. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Радиационная стойкость твердых материалов

Радиационная стойкость твердых материалов - способность материалов сохранять свойства (механич., электрич., оптические и др.) при воздействии радиации. Изменение свойств обусловлено смещениями атомов в кристаллич. решётке (см. Радиационные дефекты ),ядерными реакциями, разрывами хим. связей и др. Изменения могут быть обратимыми и необратимыми. Последние обусловлены преим. хим. превращениями молекул.

Наиб. воздействие оказывают нейтронное и g-излу-чение. На практике изменение свойств материала сопоставляется с величиной, характеризующей воздействующее излучение, напр. с флюенсом нейтронов или поглощённой дозой g-излучения.

Мн. свойства кристаллов чувствительны к повреждениям кристаллич. решётки. Одиночные дефекты обычно упрочняют металл, но снижают его пластичность .Электросопротивление металлов или сплавов возрас -тает за счёт образования дефектов, хотя в сплавах возможно уменьшение электросопротивления, если радиац. воздействие приводит к упорядочению структуры. В полупроводниках под действием облучения концентрация точечных дефектов увеличивается, что приводит к изменению электрич. и оптич. свойств.

Изменение свойств органич. веществ связано гл. обр. с процессами возбуждения и ионизации молекул. При этом образуются неравновесные электроны, ионы, ионные радикалы, молекулы в возбуждённом состоянии. Взаимодействие излучения с органич. веществами сопровождается газовыделением. Радиац. стойкость органич. веществ зависит от кол-ва растворённого в них O₂ и скорости его поступления из окружающей среды. В присутствии О₂ происходит радиац--хим. окисление вещества. В результате изменяется хим. и термич. стойкость вещества, может возрасти его хим. агрессивность по отношению к конструкц. материалам. "Сшивание" и деструкция полимеров - необратимые процессы, к-рые приводят к наиб. значит. изменениям структуры.

Осн. показатели, характеризующие необратимые изменения для механич. свойств полимерных материалов,- предел прочности, модуль упругости, предел деформируемости; для электрич. свойств - изменения диэлектрич. проницаемости, тангенса угла диэлект-рич. потерь, электрич. прочности, проводимости.

Обратимые изменения обусловлены установлением стационарного равновесия между генерацией нестабильных продуктов радиолиза и их гибелью, поэтому они зависят от мощности дозы. Сопротивление органич. изоляц. материалов падает с увеличением мощности дозы на неск. порядков. При больших дозах снижение остаточного электрич. сопротивления металлов носит необратимый характер. У мн. полимерных материалов, облучённых до доз 10⁶ Гр, исходная электрич. проводимость изменяется в неск. раз (при дозе ~ 10⁴ Гр изменения, как правило, незначительны).

В органич. материалах может возникать послерадиац. старение, к-рое обусловлено в осн. хим. реакциями свободных радикалов, образовавшихся при облучении полимеров с кислородом воздуха. Радиац. стойкость полимерных диэлектриков определяется, как правило, их механич. (а не электрич.) свойствами, т. к. большинство полимеров становятся хрупкими и теряют способность нести механич. нагрузки после доз, к-рые ещё не вызывают существ. изменений электрич. свойств.

Радиац. стойкость неорганич. веществ зависит от их кристаллич. структуры и типа хим. связи. Наиб. стойкими являются ионные кристаллы. Плотные структуры с высокой симметрией наиб. устойчивы к воздействию излучений. Для стёкол характерны изменение прозрачности и появление окраски, возникновение кристаллизации (см. Стеклообразное состояние ).Силикаты начинают изменять свойства после оолучения флюенсом нейтронов ~10¹⁹ см^-2. В результате облучения происходит анизотропное расширение кристалла, аморфизация его структуры, уменьшение плотности, упругости, теплопроводности и др. Окислы меняют свойства аналогично силикатам, но в меньшей степени. Существ. изменения в свойствах бетонов отсутствуют при облучениях нейтронными потоками с флюенсом до 3·10¹⁹ см^-2.

Табл. 1.

Органические материалы

Доза g-излучения, Гр

Термореактивные смолы

Фенольная смола с наполнителем

из стекловолокна

3·10⁷-10⁸

Фенольная смола с асбестовым

наполнителем

10⁶- 3·10⁷

Полиэфир с наполнителем из

стекловолокна

10⁷ - 3·10⁷

Эпоксидная смола

10⁶ - 2·10⁷

Майлар

2·10⁵- 2·10⁶

Полиэфирная смола без напол-

нителя

3·10³-10⁴

Силикон без наполнителя

10⁶ - 5·10⁶

Термопластичные смолы

Полистирол

5·10⁶ - 5·10⁷

Поливинилхлорид

10⁶- 10⁷

Полиэтилен

10⁵- 10⁶

Полипропилен

5·10³- 10⁵

Ацетилцеллюлоза

10⁴ - 3·10⁵

Нитроцеллюлоза

5·10³- 2·10⁵

Полиметилметакрилат

5·10³- 10⁵

Полиуретан

10⁵-10⁶

Тефлон

2·10³ - 5·10³

Тефлон 10 ОХ

5·10²-10³

Эластомеры

Натуральный каучук

5·10⁴ - 5·10⁵

Полиуретановые каучуки

10⁴ - 3·10⁵

Акриловые эластомеры

10⁴ - 7·10⁵

Кремнийорганические эластоме-

ры

10⁴ - 10⁵

Бутиловые эластомеры

10⁴ - 3·10⁵

Табл. 2.

Неорганические материалы

Доза g-излучения, Гр

Флюенс нейтронов, см^-2

Стекло

5·10⁷

5·10¹⁷

Керамика

10²⁰- 3·10²⁰

Железо

2·10¹⁸- 3·10¹⁹

Сталь конструкционная

10¹⁹

Бетон

10²⁰-5·10²⁰

Si (кремниевые транзисторы)

10³- 10⁵

3·10¹¹ - 10¹³

Ge (германиевые транзисторы)

10⁴- 10⁶

4·10¹²- 10¹⁴

В табл. 1 и 2 приведены мин. уровни облучения, вызывающие заметные (20-30%) изменения свойств нек-рых материалов.

Литература по радиационной стойкости твердых материалов

Вавилов В. С., Ухин H. А., Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах, М., 1969;

Радиационная стойкость материалов. Справочник, под ред. В. Б. Дубровского, М., 1973;

Радиационная стойкость материалов радиотехнических конструкций. Справочник, под ред. Н. А. Сидорова, В. К. Князева, М., 1976;

Радиационное электроматериаловедение, М., 1979;

Действие проникающей радиации на изделия электронной техники, под ред. Е. А. Ладыгина, М., 1980;

Радиационная стойкость органических материалов. Справочник, под ред. В. К. Милинчука, В. И. Туликова, М., 1986;

Вавилов В. С., Кекелидзе Н. П., Смирнов Л. С., Действие излучений на полупроводники, М., 1988.

Б. С. Сычёв

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.