空间高能电子辐照对氟橡胶性能的影响

冯展祖，王 俊，杨生胜，田 海，4，把得东，郭 睿

(1．兰州空间技术物理研究所，空间环境材料行为及评价技术重点实验室，甘肃 兰州 730000；2．兰州空间技术物理研究所，真空技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000； 3．兰州大学，物理科学与技术学院，甘肃 兰州 730000； 4．兰州大学，核科学与技术学院，甘肃 兰州 730000)



空间高能电子辐照对氟橡胶性能的影响

冯展祖1，3，王 俊2，杨生胜2，田 海2，4，把得东2，郭 睿2

(1．兰州空间技术物理研究所，空间环境材料行为及评价技术重点实验室，甘肃 兰州 730000；2．兰州空间技术物理研究所，真空技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000； 3．兰州大学，物理科学与技术学院，甘肃 兰州 730000； 4．兰州大学，核科学与技术学院，甘肃 兰州 730000)

本文研究了相同电子能量、不同剂量率的辐照对氟橡胶(Fluorine Rubber，FPM)电阻率特性和力学性能的影响。电子能量是2MeV，剂量率分别是1.5×105rad(Si)/h，1.5×106rad(Si)/h，1.5×107rad(Si)/h。结果表明：FPM的电阻率呈下降趋势，并且辐照剂量越大电阻率下降得越快；FPM的拉伸强度先变大，而后随着辐照剂量的增加拉伸强度又持续变小；FPM的断裂伸长率随着辐照剂量的增加而降低，与辐照剂量率没有关系。该研究获得的试验数据，对航天器设计过程中材料的选择和使用都具有实际的指导意义。

高能电子； 氟橡胶； 电阻率特性； 力学性能

1 引 言

目前，我国的航天技术已经跨过试验阶段，进入全面应用阶段，不再仅单纯追求航天器的数量，而且对航天器的品质也有了更高的要求。如何提高航天器的可靠性和寿命成为重中之重，要解决这个问题就必须从基本的材料选择入手[1-3]。目前在航天航空、核工业、武器装备制造等领域中，采用了大量的氟橡胶(Fluorine Rubber，FPM)材料，例如，暴露在宇宙空间辐照下的各类航天设备中使用的各种垫圈密封件[4]。在通常情况下，这些橡胶材料在辐照环境中长期与射线相互作用，引起材料的物理和化学性能发生变化，材料的结构和组成遭到破坏，进而导致材料严重劣化甚至失效[5-8]。因此，开展氟橡胶的高能电子辐照效应研究，对于选用和评价射线辐照环境中使用的橡胶密封材料具有实际的指导意义。

本文从实际应用出发，结合空间真实的高能电子辐照环境，选择航天器最常用的氟橡胶为研究对象，研究其在高能电子作用下，当达到不同的辐照剂量时，材料电阻率特性、拉伸强度和断裂伸长率等材料特性参数的变化趋势，并对结果进行了充分的讨论。

2 实验部分

2.1 高能电子模拟源

模拟源：高能电子加速器。

2.2 试验条件

电子能量：2MeV；辐照剂量率：1.5×105rad(Si)/h、1.5×106rad(Si)/h、1.5×107rad(Si)/h。

2.3 试验样品

试验样品产自沈阳橡胶四厂，型号F105。氟橡胶是主链或侧链的碳原子上含有氟原子的合成高分子弹性体，主要用于绝缘及密封功能。

2.4 测试方法

2.4.1 电阻率特性测试 由于介质材料的性质、组织和结构的不同，在直流电压作用下，介质材料中有微弱的电流流过，该电流由三部分组成，分别为电容电流、吸收电流和电阻电流。当直流电压作用到绝缘材料上，加压瞬间相当于给电容充电，这部分随时间较快衰减的电容电流与绝缘材料电容量的外加电压有关；不均匀介质中吸收电流由缓慢极化和夹层式极化产生，即在施加直流电压的瞬间，介质上的电压按电容分布，而电压稳定后介质上的电压按电阻分布；由于不同介质的电容与电阻不成比例，因此在施加直流电压瞬间到趋于稳定这一过程中，介质上电荷要重新分配，重新分配的电荷在回路中形成电流。其电流回路在等值电路中用电容C和电阻r串联来表示，吸收电流随时间衰减的速率与介质电容量大小有很大关系；在电介质中有极少数束缚很弱的或自由的离子，在直流电压作用下，这些正负离子就分别向两极移动而形成电流，称为泄漏电流(或传导电流)。这部分电流是由介质的电导引起的，为一个恒定的电流。电流回路经过一段时间后趋于零，因此在用绝缘电阻表进行介质材料测量时，必须等到绝缘电阻表指示稳定后才能读数。对电容量较小的一般试样，通常认为在加电压1分钟后，泄漏电流趋于稳定(即电容电流、吸收电流都趋于零)，因此，电阻率测试确定为加压1分钟时进行。电阻率测试原理如图1所示，图中Rx为被测样品材料。

图1 电阻率测试原理图Fig.1 Schematic diagram of electrical resistivity testing

2.4.2 力学性能测试 力学性能测试样品尺寸如图2所示，窄平行部分宽度b1=6mm，端部宽度b2=25mm，厚度h是1mm，标距长度L0是25mm，拉伸速度250mm/min。测试样品实物如图3所示。

图2 测试样品尺寸Fig.2 Mechanical test sample size

图3 测试样品实物照片Fig.3 Fluorine rubber mechanics test sample

图4 不同辐照剂量率下氟橡胶电阻率随辐照剂量的变化Fig.4 Relationship between the resistivity of fluorine rubber and the irradiation dose in the different irradiation dose rate

3 结果与讨论

3.1 电阻率特性

图4为测得的氟橡胶的电阻率随辐照剂量的变化。由图4可以看出，随着辐照剂量的增加，氟橡胶电阻率显著减小，并且随着累积剂量的增大，氟橡胶的电阻率辐照后比辐照前减小两个数量级。这是由于高能电子与氟橡胶相互作用导致离子和各种自由基的产生，从而引发化学反应，使得大分子键断裂或形成，分子发生断链或交联，并且随着辐照吸收剂量的增加，直至引发分子链永久断裂，而断裂反应致使聚合物的分子量下降，使载流子在介质中迁移的能力得到增强，从而导致氟橡胶的体电阻率持续下降。

3.2 力学性能

图5 不同辐照剂量率下氟橡胶拉伸强度随辐照剂量的变化关系Fig.5 Relationship between the tensile strength of fluorine rubber and the irradiation dose in the different irradiation dose rate

图5为氟橡胶的拉伸强度随辐照剂量的变化。由图5可以看出，随着辐照剂量的增加，氟橡胶的拉伸强度逐渐增加，当辐照剂量达到2.0×106rad(20kGy)时出现最大值(16.24MPa)，随后逐渐下降，趋于平衡。这是由于材料在受到外部拉伸应力作用时，会沿拉伸方向发生形变，橡胶分子都趋向沿拉伸方向取向。随着辐照剂量的增加，氟橡胶的交联密度增加，用于抵抗外力作用的交联链增多，因此拉伸强度逐渐增加并达到峰值；当交联密度超过一定程度后，材料在外部拉伸应力作用下，沿拉伸方向形变会减小，材料的内部应力会导致材料局部发生破坏，材料的拉伸强度又会下降。

由图6可以看出，随着辐照剂量的增加，氟橡胶的断裂伸长率逐渐下降，并慢慢达到平衡。这是由于辐照剂量较小时，交联密度低，材料在受到外部拉伸应力作用时，形变较大；随着辐照剂量的增加，交联密度增大，会限制氟橡胶大分子链的运动，从而在外部拉伸应力作用下氟橡胶的形变会逐渐减小。

图6 不同辐照剂量率下断裂伸长率随辐照剂量的变化关系Fig.6 Relationship between the tensile strain at break of fluorine rubber and the irradiation dose in the different irradiation rate

4 结 论

高能电子束辐照使氟橡胶发生交联反应，对氟橡胶的电阻率特性和力学性能有显著的影响。随着辐照剂量的增加，氟橡胶的交联密度增大，电阻率逐渐减小，电阻率在辐照后比辐照前减小两个数量级。同时，随辐照剂量的增加，氟橡胶的拉伸强度逐渐增加，当辐照剂量为2.0×106rad(20kGy)时拉伸强度出现最大值，达16.24MPa，之后随着辐照剂量的进一步增大，拉伸强度又开始减小；与此同时，氟橡胶的断裂伸长率随着辐射剂量的增加呈下降趋势。

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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

国家自然科学基金资助项目(11305084)

冯展祖(1983-)，男，硕士，工程师。E-mail：happyfzhz@163.com。

王 俊，男，博士，高级工程师。E-mail：wangjunch@aliyun.com。

TQ333.93

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.004