馮展祖，王 俊，楊生勝，田 海，4，把得東，郭 睿

(1．蘭州空間技術(shù)物理研究所，空間環(huán)境材料行為及評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2．蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 3．蘭州大學(xué)，物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000； 4．蘭州大學(xué)，核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

?

空間高能電子輻照對(duì)氟橡膠性能的影響

馮展祖1，3，王 俊2，楊生勝2，田 海2，4，把得東2，郭 睿2

(1．蘭州空間技術(shù)物理研究所，空間環(huán)境材料行為及評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2．蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 3．蘭州大學(xué)，物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000； 4．蘭州大學(xué)，核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

本文研究了相同電子能量、不同劑量率的輻照對(duì)氟橡膠(Fluorine Rubber，F(xiàn)PM)電阻率特性和力學(xué)性能的影響。電子能量是2MeV，劑量率分別是1.5×105rad(Si)/h，1.5×106rad(Si)/h，1.5×107rad(Si)/h。結(jié)果表明：FPM的電阻率呈下降趨勢(shì)，并且輻照劑量越大電阻率下降得越快；FPM的拉伸強(qiáng)度先變大，而后隨著輻照劑量的增加拉伸強(qiáng)度又持續(xù)變?。籉PM的斷裂伸長(zhǎng)率隨著輻照劑量的增加而降低，與輻照劑量率沒有關(guān)系。該研究獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)航天器設(shè)計(jì)過(guò)程中材料的選擇和使用都具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

高能電子； 氟橡膠； 電阻率特性； 力學(xué)性能

1 引 言

目前，我國(guó)的航天技術(shù)已經(jīng)跨過(guò)試驗(yàn)階段，進(jìn)入全面應(yīng)用階段，不再僅單純追求航天器的數(shù)量，而且對(duì)航天器的品質(zhì)也有了更高的要求。如何提高航天器的可靠性和壽命成為重中之重，要解決這個(gè)問(wèn)題就必須從基本的材料選擇入手[1-3]。目前在航天航空、核工業(yè)、武器裝備制造等領(lǐng)域中，采用了大量的氟橡膠(Fluorine Rubber，F(xiàn)PM)材料，例如，暴露在宇宙空間輻照下的各類航天設(shè)備中使用的各種墊圈密封件[4]。在通常情況下，這些橡膠材料在輻照環(huán)境中長(zhǎng)期與射線相互作用，引起材料的物理和化學(xué)性能發(fā)生變化，材料的結(jié)構(gòu)和組成遭到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致材料嚴(yán)重劣化甚至失效[5-8]。因此，開展氟橡膠的高能電子輻照效應(yīng)研究，對(duì)于選用和評(píng)價(jià)射線輻照環(huán)境中使用的橡膠密封材料具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合空間真實(shí)的高能電子輻照環(huán)境，選擇航天器最常用的氟橡膠為研究對(duì)象，研究其在高能電子作用下，當(dāng)達(dá)到不同的輻照劑量時(shí)，材料電阻率特性、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等材料特性參數(shù)的變化趨勢(shì)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了充分的討論。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 高能電子模擬源

模擬源：高能電子加速器。

2.2 試驗(yàn)條件

電子能量：2MeV；輻照劑量率：1.5×105rad(Si)/h、1.5×106rad(Si)/h、1.5×107rad(Si)/h。

2.3 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品產(chǎn)自沈陽(yáng)橡膠四廠，型號(hào)F105。氟橡膠是主鏈或側(cè)鏈的碳原子上含有氟原子的合成高分子彈性體，主要用于絕緣及密封功能。

2.4 測(cè)試方法

2.4.1 電阻率特性測(cè)試 由于介質(zhì)材料的性質(zhì)、組織和結(jié)構(gòu)的不同，在直流電壓作用下，介質(zhì)材料中有微弱的電流流過(guò)，該電流由三部分組成，分別為電容電流、吸收電流和電阻電流。當(dāng)直流電壓作用到絕緣材料上，加壓瞬間相當(dāng)于給電容充電，這部分隨時(shí)間較快衰減的電容電流與絕緣材料電容量的外加電壓有關(guān)；不均勻介質(zhì)中吸收電流由緩慢極化和夾層式極化產(chǎn)生，即在施加直流電壓的瞬間，介質(zhì)上的電壓按電容分布，而電壓穩(wěn)定后介質(zhì)上的電壓按電阻分布；由于不同介質(zhì)的電容與電阻不成比例，因此在施加直流電壓瞬間到趨于穩(wěn)定這一過(guò)程中，介質(zhì)上電荷要重新分配，重新分配的電荷在回路中形成電流。其電流回路在等值電路中用電容C和電阻r串聯(lián)來(lái)表示，吸收電流隨時(shí)間衰減的速率與介質(zhì)電容量大小有很大關(guān)系；在電介質(zhì)中有極少數(shù)束縛很弱的或自由的離子，在直流電壓作用下，這些正負(fù)離子就分別向兩極移動(dòng)而形成電流，稱為泄漏電流(或傳導(dǎo)電流)。這部分電流是由介質(zhì)的電導(dǎo)引起的，為一個(gè)恒定的電流。電流回路經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后趨于零，因此在用絕緣電阻表進(jìn)行介質(zhì)材料測(cè)量時(shí)，必須等到絕緣電阻表指示穩(wěn)定后才能讀數(shù)。對(duì)電容量較小的一般試樣，通常認(rèn)為在加電壓1分鐘后，泄漏電流趨于穩(wěn)定(即電容電流、吸收電流都趨于零)，因此，電阻率測(cè)試確定為加壓1分鐘時(shí)進(jìn)行。電阻率測(cè)試原理如圖1所示，圖中Rx為被測(cè)樣品材料。

圖1 電阻率測(cè)試原理圖Fig.1 Schematic diagram of electrical resistivity testing

2.4.2 力學(xué)性能測(cè)試 力學(xué)性能測(cè)試樣品尺寸如圖2所示，窄平行部分寬度b1=6mm，端部寬度b2=25mm，厚度h是1mm，標(biāo)距長(zhǎng)度L0是25mm，拉伸速度250mm/min。測(cè)試樣品實(shí)物如圖3所示。

圖2 測(cè)試樣品尺寸Fig.2 Mechanical test sample size

圖3 測(cè)試樣品實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Fluorine rubber mechanics test sample

圖4 不同輻照劑量率下氟橡膠電阻率隨輻照劑量的變化Fig.4 Relationship between the resistivity of fluorine rubber and the irradiation dose in the different irradiation dose rate

3 結(jié)果與討論

3.1 電阻率特性

圖4為測(cè)得的氟橡膠的電阻率隨輻照劑量的變化。由圖4可以看出，隨著輻照劑量的增加，氟橡膠電阻率顯著減小，并且隨著累積劑量的增大，氟橡膠的電阻率輻照后比輻照前減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這是由于高能電子與氟橡膠相互作用導(dǎo)致離子和各種自由基的產(chǎn)生，從而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，使得大分子鍵斷裂或形成，分子發(fā)生斷鏈或交聯(lián)，并且隨著輻照吸收劑量的增加，直至引發(fā)分子鏈永久斷裂，而斷裂反應(yīng)致使聚合物的分子量下降，使載流子在介質(zhì)中遷移的能力得到增強(qiáng)，從而導(dǎo)致氟橡膠的體電阻率持續(xù)下降。

3.2 力學(xué)性能

圖5 不同輻照劑量率下氟橡膠拉伸強(qiáng)度隨輻照劑量的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between the tensile strength of fluorine rubber and the irradiation dose in the different irradiation dose rate

圖5為氟橡膠的拉伸強(qiáng)度隨輻照劑量的變化。由圖5可以看出，隨著輻照劑量的增加，氟橡膠的拉伸強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)輻照劑量達(dá)到2.0×106rad(20kGy)時(shí)出現(xiàn)最大值(16.24MPa)，隨后逐漸下降，趨于平衡。這是由于材料在受到外部拉伸應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)沿拉伸方向發(fā)生形變，橡膠分子都趨向沿拉伸方向取向。隨著輻照劑量的增加，氟橡膠的交聯(lián)密度增加，用于抵抗外力作用的交聯(lián)鏈增多，因此拉伸強(qiáng)度逐漸增加并達(dá)到峰值；當(dāng)交聯(lián)密度超過(guò)一定程度后，材料在外部拉伸應(yīng)力作用下，沿拉伸方向形變會(huì)減小，材料的內(nèi)部應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料局部發(fā)生破壞，材料的拉伸強(qiáng)度又會(huì)下降。

由圖6可以看出，隨著輻照劑量的增加，氟橡膠的斷裂伸長(zhǎng)率逐漸下降，并慢慢達(dá)到平衡。這是由于輻照劑量較小時(shí)，交聯(lián)密度低，材料在受到外部拉伸應(yīng)力作用時(shí)，形變較大；隨著輻照劑量的增加，交聯(lián)密度增大，會(huì)限制氟橡膠大分子鏈的運(yùn)動(dòng)，從而在外部拉伸應(yīng)力作用下氟橡膠的形變會(huì)逐漸減小。

圖6 不同輻照劑量率下斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照劑量的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between the tensile strain at break of fluorine rubber and the irradiation dose in the different irradiation rate

4 結(jié) 論

高能電子束輻照使氟橡膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，對(duì)氟橡膠的電阻率特性和力學(xué)性能有顯著的影響。隨著輻照劑量的增加，氟橡膠的交聯(lián)密度增大，電阻率逐漸減小，電阻率在輻照后比輻照前減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，隨輻照劑量的增加，氟橡膠的拉伸強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)輻照劑量為2.0×106rad(20kGy)時(shí)拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)最大值，達(dá)16.24MPa，之后隨著輻照劑量的進(jìn)一步增大，拉伸強(qiáng)度又開始減?。慌c此同時(shí)，氟橡膠的斷裂伸長(zhǎng)率隨著輻射劑量的增加呈下降趨勢(shì)。

[1] 邸明偉,張麗新,何世禹,楊德莊.室溫硫化硅橡膠及其在航天器上的應(yīng)用[J].宇航材料工藝, 2005, 35(4):7～11.

[2] 王玉芬.有機(jī)高聚物輻射效應(yīng)的研究[D].西安交通大學(xué)博士學(xué)位論文, 劉耀南,曹曉瓏, 陜西,西安交通大學(xué), 1994.

[3] V E. Muradyan, A. A. Arbuzov, Yu. N. Smirnov, SR Allayarov. Effect of Fullerenes and Gamma-Irradiation on the Adhesive Strength of Model Adhesive Joints[J].High Energy Chemistry, 2008, 42(4):272～274.

[4] 傅依備.幾種高分子材料的核輻射效應(yīng)研究[J].材料導(dǎo)報(bào), 2003, 17(2):4～7.

[5] A. Faucitano, AButtafava, S Karolczak, PA Guarda, G Marchionni. The chemical effects of ionizing radiations on fluorinated ethers[J]. Journal of Fluorine Chemistry, 2004, 125(2): 221～241.

[6] Z Xu,Y Huang,C Min,L Chen,L Chen. Effect of γ-ray radiation on the polyacrylonitrile based carbon fibers[J]. Radiation Physics and Chemistry, 2010, 79(8):839～843.

[7] K Kimura,Y Tabuchi,N Ai,Y Yamashita,Y Okumura. Influence of electron beam irradiation on properties of fluorine-containing poly(aryl ether ketone)s[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2004, 91(1) :157～166.

[8] Lunkwitz Klaus, Lappan Uwe, Scheler Ulrich. Modification of perfluorinated polymers by high-energy irradiation[J]. Journal of Fluorine Chemistry,2004, 125(6):863～873.

Effect of Space High-energy Electron Irradiation on Characteristics of Fluorine Rubber

FENG Zhanzu1,3， WANG Jun2， YANG Shengsheng2， TIAN Hai2,4， BA Dedong2， GUO Rui2

(1.Science and Technology on Material Performance Evaluating in Space Environment Laboratory，Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China; 2.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China; 3.School of Physics Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; 4.School of Nuclear Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Resistivity characteristic and mechanical property of the fluorine rubber was studied under the same energy and different dose rate of electron irradiation. Electron energy was 2MeV, and electron dose rate was 1.5×105rad(Si)/h,1.5×106rad(Si)/h,1.5×107rad(Si)/h respectively. With electron dose rate increasing, the resistivity of the fluorine rubber was decreased continuously. Tensile strength of the fluorine rubber increased at first, then decreased continuously, with inceasing electron irradiation dose. At the same time, the tensile strain at break of the fluorine rubber decreased, and had no relationship with the irradiation dose rate. Experiment results are significant in guiding the design of spacecraft and the application of materials.

high-energy electron； fluorine rubber； resistivity characteristic； mechanics property

1673-2812(2017)02-0187-04

2015-09-14；

2016-01-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11305084)

馮展祖(1983-)，男，碩士，工程師。E-mail：happyfzhz@163.com。

王 俊，男，博士，高級(jí)工程師。E-mail：wangjunch@aliyun.com。

TQ333.93

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.004