CC BY
0
УДК: 679.7 https://doi.org/10.24412/2071-8268-2024-1-15-18
оценка радиационной стойкости фторопласта-4мб-к
Клюкин Н.М.1,2, Романов Б.С.1, Бондалетов В.Г.2
1Особое конструкторское бюро кабельной промышленности, г. Мытищи, Россия 2Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический
университет», г. Томск, Россия
В работе представлены результаты исследования влияния различных доз гамма-излучения в воздушной среде на физико-механические, диэлектрические, а также теплофизические свойства материала Фторопласт-4МБ-К. Указанная модификация Фторопласта-4МБ практически не исследована. Полученные результаты могут быть использованы при выборе и обосновании мест прокладки кабелей и проводов в системах и установках, в которых присутствуют поля ионизирующих излучений.
Ключевые слова: фторопласт-4МБ-К, кабельные материалы, диэлектрические параметры, гамма-излучение, свободные радикалы, нагрузка при разрыве, удлинение, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическая проницаемость, энтальпия.
Для цитирования: Клюкин Н.М., Романов Б.С., Бондалетов В.Г. Оценка радиационной стойкости Фторопласта-4МБ-К // Промышленное производство и использование эластомеров, 2024, № 1, С. 1518. DOI: 10.24412/2071-8268-2024-1-15-18.
evaluation of radiation resistance of fluoroplast-4mb-k
Klyukin N.M.1,2, Romanov B.S.1, Bondaletov V.G.2
1Special design bureau of the cable industry, Mytishchi, Russia 2National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk Polytechnic University, TPU,
Tomsk, Russia
Abstract. This paper presents the results of the study of the influence of various doses of gamma radiation in the air on the physical and mechanical, dielectric, as well as thermophysical properties of the Fluoroplast-4MB-K material. The specified modification of fluoroplast-4 MB has not been practically investigated. The obtained results can be used when selecting and justifying places for laying cables and wires in systems and installations that form AI fields.
Key words: fluoroplast-4MB-K, cable materials, dielectric parameters, gamma radiation, free radicals, break load, elongation, dielectric loss tangent, dielectric constant, enthalpy.
For citation: Klyukin N.M., Romanov B.S., Bondaletov V.G. Evaluation of radiation resistance of Fluoroplast-4MB-K. Prom. Proizvod. Ispol'z. Elastomerov, 2024, no. 1, pp. 15-18. DOI: 10.24412/20718268-2024-1-15-18. (In Russ.).
К числу основных элементов, обеспечивающих надежность и безопасность эксплуатации различных энергетических установок, радиоэлектронной техники, а также систем управления относятся кабельные изделия. Нередко требуется их использовать в зоне высокого радиационного фона при повышенной температуре и влажности. В таких условиях уже невозможно использовать традиционные кабельные материалы — полиэтилен и поливинилхлоридный пластикат. Не подходит для этого и теплостойкий политетрафторэтилен (фторопласт-4) из-за очень низкой радиационной стойкости [1]. В результате возникает необходимость использовать кабельные изделия из тепло- и радиационностой-ких материалов. Одним из таких материалов является сополимер тетрафторэтилена с гекса-фторпропиленом марки фторопласт-4МБ мар-
ки «К», который был синтезирован специально для кабельной промышленности. Фторопласт-4МБ-К имеет повышенную текучесть расплава и высокие диэлектрические свойства, что позволяет использовать его для тонкостенного изолирования миниатюрных и субминиатюрных кабельных изделий.
Радиационные эффекты в материалах определяются не только поглощенной дозой излучения и мощностью дозы, но и целым рядом факторов, характеризующих условия облучения. Степень воздействия излучений и сам характер воздействия могут в значительной степени зависеть от небольших количественных и качественных особенностей химического состава материала, при этом температурные зависимости некоторых свойств в результате облучения могут полностью измениться [2]. Первичное действие
излучения на органические материалы, в том числе на полимеры, сводится к ионизации и возбуждению атомов и молекул, образующих данный материал, причем оба эти процесса могут приводить к диссоциации молекул и разрыву химических ковалентных связей с образованием свободных радикалов. Дальнейшие, вторичные процессы представляют собой реакции взаимодействия активированных фрагментов молекул друг с другом и с другими молекулами [2], что приводит к изменению структуры свойств материала.
Методы исследований и обсуждение результатов
Облучение образцов проводилось с использованием мощного изотопного источника непрерывного гамма-излучения ГУ-200 (изотоп излучателя Со60). Диапазон доз облучения от 3-103 до 5105 Гр.
Физико-механические свойства
Образцами для испытаний выступали пластины, изготовленные из исследуемого материала в обогреваемой пресс-форме гидравлического пресса, из которых вырубались лопатки для механических испытаний. Ниже представлены результаты испытаний физико-механических свойств (табл. 1, рис. 1 и 2).
о 25л С ^ 20 о * н о * 10 5 0 1,0
E+1 6,1 Б+2 1,2 Б+3 1,8 Б+3 2,4 Е|оза облу Б+3 чения, Гр
Рис. 1. Зависимость нагрузки при разрыве образцов из фторопласта-4МБ-К от дозы облучения
^ 400 ¿350 § 300-|25° 200 150 100
50 0 1,01
Е+1 6,1 Е+2 1,2 Е+3 1,8 Е+3 2,4 Доза облу Е+3 чения, Гр
Рис. 2. Зависимость удлинения образцов из фторопласта-4МБ-К от дозы облучения
График на рис. 1 показывает соотношение прочности при разрыве от дозы облучения. Падение значения прочности при разрыве свидетельствует о происходящей деструкции материала и, чем доза выше, тем деструкция сильнее. Зависимость значения удлинения от дозы облучения также подтверждает факт происходящих процессов деструкции, причём процесс деструкции у данного материала приобретает необратимый эффект. Из зависимости удлинения при разрыве от дозы облучения (рис. 2) можно отметить, что при относительно небольших дозах облучения 103 Гр, материал становится более эластичным, практически не теряя при этом устойчивости к прочности при разрыве, а значение дозы 4104 Гр является критической точкой начала деструкции. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что значение прочности при разрыве изменяется почти в 2 раза (у исходного образца и подверженного облучению дозой в 5105 Гр), а удлинение падает более чем в 3 раза.
Таблица 1
Физико-механические свойства образцов из фторопласта-4МБ-К после различных доз облучения
Наименование Прочность при разрыве, МПа Удлинение при разрыве, %
Образец из фторопласта-4МБ-К:
исходный 21,9 360
получивший дозу облучения, Грей:
3103 20,153 357,4
104 19,364 364
3104 16,1097 338
105 12,665 130
3105 5,0 60
По сравнению с фторопластом-4 [1], фторо-пласт-4МБ-К имеет большее значение прочности и удлинения и может быть использован в зоне повышенных температур и повышенных значениях ионизирующего излучения. Диэлектрические свойства Образцами для проведения испытания выступали диски 050 мм из фторопласта-4МБ-К, вырубленные из пластин. Определение тангенса угла диэлектрических потерь tg 5 основано на измерениях тангенса угла диэлектрических потерь ячейки с исследуемым образцом диэлектрика tg 51 и сравнения ее с добротностью ячейки без образца tg 52 на частоте измерения 1 МГц. В ходе работы использовался измеритель LRC
Agilent E4980A. Значения тангенса угла диэлектрических потерь вычислялись по следующей формуле:
C
tg5= * • (tg§i - tg§2),
C1 - С2
(1)
где Сх — ёмкость ячейки с образцом; С2 — ёмкость пустой части ячейки, пФ, определяемая по формуле
С2 = 0,006954-^
—i - -2
t
(2)
Диэлектрическая проницаемость вычисля лась по следующим формулам:
Св
е = -
С4
(3)
где С4 — ёмкость образца (геометрическая), пФ, определяемая по формуле:
2
С4 = 0,006954 •
(4)
С8 — ёмкость образца, пФ, определяемая по формуле
С7 + Сз _ С5
С8 - С6 '
С5 + С6 " С3 " С7
(5)
С3 — ёмкость ячейки (геометрическая), пФ,
определяемая по формуле
D 2
С3 = 0,006954 •-i 3 h
(6)
С5 — ёмкость пустой части ячейки, пФ, опре-
деляемая по формуле
С5 = 0,006954
Di2 - D22 h
(7)
С6 — ёмкость зазора, пФ, определяемая по формуле
2
С6 = 0,006954^^. 6 h -1
(8)
С7 — изменение ёмкости, пФ, определяемое по формуле
Су = С - С2. (9)
Если говорить о диэлектрических характеристиках материала, то оба параметра не выходят за рамки установленного техническими условиями диапазона значений, во всём диапазоне доз облучения. Оказалось, что даже максимальная доза облучения практически не влияет на диэлектрические свойства, а отклонения находятся в рамках погрешности измерений (5% по е и 20% по tg 8). Это наглядно показано в табл. 2 и на рис. 3 и 4.
Таблица 2
Сводная таблица значений диэлектрических параметров образцов из фторопласта-4МБ-К
Наименование Диэлектрическая проницаемость, е Тангенс угла диэлектрических потерь, tg 5
Образец из фторо-
пласта-4МБ-К:
исходный 2,05 6,410-4
получивший дозу
облучения,грей:
2104 1,98 6,110-4
4104 1,99 5,810-4
8104 1,99 5,710-4
105 1,96 5,510-4
1,5105 1,98 5,210-4
2,0Е-3 1,5Е-3 1,0Е-3 5,0Е-4 0,0Е+0
И
1,0Е+1 6,1 Е+2 1,2Е+3 1,8Е+3 2,4Е+3
Доза облучения, Гр
Рис. 3 Зависимость величины tg 8 образцов из фторопласта-4МБ-К от дозы облучения
Рис. 4. Зависимость величины е образцов из фторопласта-4МБ-К от дозы облучения
Теплофизические свойства Образец для регистрации теплофизических характеристик вырезался из пластины массой около 20 мг. Регистрирующий прибор — дифференциальный сканирующий микрокалориметр ДСМ-2М.
Были получены следующие результаты:
3 103 21,053
104 21,316 3 104 22,033
105 24,861 3105 25,027
Из данных зависимости энтальпии плавления от дозы облучения (рис. 5) можно отметить её увеличение с ростом дозы облучения. Данный эффект можно объяснить тем, что следствием процесса деструкции макромолекул является их кристаллизация. Этот процесс находит своё отражение в изменении свойств полимеров: увеличивается его плотность, растёт модуль упругости и т.д.
Таким образом, полученные в ходе работы результаты указывают на перспективность ис-
пользования данной модификации материала Фторопласт-4. Фторопласт-4МБ-К устойчив к воздействию ионизирующего излучения, что подтверждают физико-механические испытания. Диэлектрические характеристики (тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость) материала практически неизменны во всём диапазоне облучения, что даёт полимеру Фторопласт-4МБ-К преимущество при использовании в производстве проводниковой продукции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дикерман Д.Н., Кунегин В.С. Провода и кабели с фторопластовой изоляцией. — Москва: Энергоатомиздат, 1992. — 142 с.
2. Финкель Э.Э., Брагинский Р.П. Нагревостойкие провода и кабели с радиационно-модифицированной изоляцией. — Москва: Энергия, 1985. — 186 с.
„г г Значение энтальпии,
Доза облучения, Гр Дж/г
информация об авторах/information about the authors
Клюкин Никита Михайлович, начальник ПДО (производственно-диспетчерский отдел) АО «Особое конструкторское бюро кабельной промышленности», 141008, г. Мытищи, Россия.
E-mail: hilles211@bk.ru
Романов Борис Сергеевич, канд. физ.-мат. наук, главный специалист отдела надежности, радиационных испытаний и исследования материалов (ОНРИИМ) АО «Особое конструкторское бюро кабельной промышленности», 141008, г. Мытищи, Россия
Бондалетов Владимир Григорьевич, доктор технических наук, профессор отделения химической инженерии, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, Россия
Klyukin Nikita M., Special design bureau of the cable industry, 141008, Mytishchi, Russia. E-mail: hilles211@bk.ru
Romanov Boris S., Cand. (Phis. and Math.) Sci., Special design bureau of the cable industry, 141008, Mytishchi, Russia
Bondaletov Vladimir G., Dr (Tech.) Sci, Prof., National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk Polytechnic University, TPU, 634050, Tomsk, Russia
