2025年11月14日，中国工程物理研究院核物理与化学研究所辐射化学研究室研究员陈洪兵在深圳核博会材料老化与服役安全论坛发表《高分子材料辐射环境老化试验、模拟、表征与防老化设计》主旨报告。
报告围绕高分子材料在辐射环境下的老化问题，介绍了老化试验、模拟、表征方法以及防老化材料设计等工作。核心结论是，高分子材料老化受剂量率、湿度、应力、热耦合和材料组成等多因素影响，需要结合实验、计算模拟和灵敏表征来评估寿命并提升耐辐射性能。报告最后介绍了若干耐辐射涂层、环氧树脂和屏蔽材料成果，并希望相关技术在核能领域发挥作用。
关键点
1. 报告背景与研究对象（00:00）
报告人说明其主要背景来自国防装备中的高分子材料老化研究，本次汇报聚焦高分子材料在辐射环境下的老化试验模拟、表征以及防老化设计工作。
2. 高分子材料在辐射环境中的重要性（00:31）
高分子材料在国防航天和核能工业等辐射环境中承担缓冲、粘接、密封、结构支撑等作用，且具有轻量化和成本低等优势。由于装备设计寿命可达几十年，而高分子材料本身较易老化，因此其长期可靠性受到越来越多关注。
3. 老化行为具有多因素复杂性（01:35）
高分子材料老化受外部环境和材料自身结构共同影响，包括辐射、温度、湿度、应力等耦合因素，以及物理老化、化学老化等机制。材料往往并非单一体系，而是混合物或复合材料，可能具有多组分、多层挤出或特定形态组合，使影响因素更加复杂。
4. 可靠性评估面临的关键问题（02:52）
报告提出三类关键问题：如何评估老化动力学并支撑寿命预测，如何灵敏表征材料在低剂量率和长寿命服役条件下的微小变化，以及如何改进高分子材料使其更加耐辐射。现有经验或半经验模型在重要场景下因缺乏机理支撑而使用受限。
5. 辐射老化试验关注加速与耦合效应（04:38）
由于无法用几十年完成考核，研究通常通过提高剂量率或温度进行加速试验。报告介绍了剂量率效应、辐照停止后的后效应、湿度与辐射耦合、应力与辐射耦合，以及辐射和热耦合老化等研究，结果显示不同材料的响应并不完全一致，说明相关机理较复杂。
6. 老化产气对密封装备可靠性有影响（07:45）
在密封装备中，高分子材料老化不仅会降低自身可靠性，还可能产生气体并影响其他器件。某些含氟材料老化时可能释放含氟气体，进而导致敏感器件腐蚀，因此需要研究微量气体表征方法及其与材料老化的关系。
7. 计算模拟补充实验研究（08:42）
报告指出实验主要解决如何考核材料，但许多问题单靠实验难以完成，因此模拟手段越来越重要。团队基于实验开展了复杂组分、环境因素和老化动力学相关模拟，计算结果与实验结果比较一致。
8. 发展灵敏老化表征方法（09:39）
团队除成熟表征方法外，还开发了荧光表征、气体红外和自发荧光等手段。荧光方法利用老化后产生的极性基团或局部特性变化与荧光前驱体结合，通过荧光强度表征老化；气体红外可较灵敏地检测高分子材料老化产生的气体；电子顺磁共振谱也被用于相关研究。
9. 尝试将老化监测与防治结合（11:17）
团队开展了偏基础的研究，探索利用荧光自由基与老化产生的自由基结合，一方面延缓老化，另一方面用于监测老化，从而实现老化监测和防治的协同。
10. 耐辐射材料设计与应用成果（11:56）
团队开展了多类防老化材料设计，包括锂流电池单接机相关材料、硅橡胶、基于机器学习设计的耐辐射老化材料，以及已转化的中子伽马射线屏蔽材料。还介绍了耐辐射聚氨酯涂料和环氧树脂，通过添加剂和动态键设计提升辐射后韧性和性能保持能力。
11. 后续展望与平台开放（15:01）
报告最后希望与核能领域开展更多交流，使国防装备中的相关技术在核能领域发挥作用。报告人还介绍了所在单位的辐照平台，包括二十兆瓦反应堆、中子源和中子发生器等，并表示可支持外部相关实验。
时间线
00:00 - 报告开场，说明研究背景来自材料老化工作，并引出高分子材料在辐射环境下的老化、模拟、表征和防护设计主题。
00:31 - 介绍高分子材料在国防航天和核能工业中的应用价值，以及长期服役条件下老化可靠性问题的重要性。
01:35 - 从环境耦合、老化机理和材料组成结构等方面阐述高分子材料老化的复杂性，并提出寿命评估、灵敏表征和耐辐射改进等核心问题。
04:38 - 进入试验研究部分，围绕加速辐照、剂量率效应、后效应、湿度、应力以及热辐射耦合等因素展开说明。
07:45 - 进一步讨论密封环境中材料老化产气问题，强调微量气体可能影响其他器件可靠性。
08:42 - 转向计算模拟工作，说明模拟用于补充实验，并用于分析复杂组分、环境因素和老化动力学。
09:39 - 介绍表征方法进展，包括荧光表征、气体红外、自发荧光、电子顺磁共振谱以及监测与防治结合的思路。
11:56 - 介绍防老化材料设计成果，涵盖耐辐射硅橡胶、机器学习辅助设计、屏蔽材料、聚氨酯涂料和环氧树脂等。
15:01 - 报告收尾，提出面向核能领域合作的展望，并简要介绍所在单位的辐照实验平台和开放合作可能。
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陈洪兵在深圳核博会报告高分子材料辐射老化与防护研究进展
2025年11月14日，在深圳核博会材料老化与服役安全论坛上，中国工程物理研究院核物理与化学研究所辐射化学研究室研究员陈洪兵作题为《高分子材料辐射环境老化试验、模拟、表征与防老化设计》的主旨报告，系统介绍了高分子材料在辐射环境下的老化规律、寿命评估、灵敏表征和耐辐射材料设计等方面的研究进展。
陈洪兵指出，高分子材料因具有轻量化、成本较低、加工成型灵活以及良好的柔性、密封性和阻尼性能，已广泛应用于国防装备、航天工程、核能工业以及长期服役的密封、缓冲和结构支撑系统中，承担缓冲减振、粘接密封、结构支撑、绝缘防护和涂层保护等功能。随着装备服役寿命不断延长，许多系统设计寿命达到数十年，高分子材料在辐射、热、湿度和应力等因素作用下的老化问题日益突出，材料力学性能、密封性能、绝缘性能和服役可靠性可能随时间下降，成为长寿命装备安全评价中的关键问题。
报告认为，高分子材料辐射老化具有显著复杂性。一方面，外部环境中辐射剂量、剂量率、温度、湿度、机械应力以及密闭空间内气体积累等因素相互耦合，单一因素下获得的老化规律并不一定适用于实际多因素环境；另一方面，材料内部同时存在物理老化和化学老化过程，包括分子链运动和凝聚态结构变化、链断裂、交联、氧化、极性基团生成以及自由基反应和辐照后效应等。此外，实际高分子材料往往由基体树脂、添加剂、填料、增塑剂等多组分构成，部分材料还具有多层挤出或复合结构，界面状态和组分分布都会影响辐射老化行为。
围绕寿命评估问题，陈洪兵表示，长寿命材料难以依靠真实时间尺度试验直接验证，必须通过加速老化试验预测长期服役行为。但现有许多经验或半经验模型机理支撑不足，在重要装备和高可靠性应用场景中存在外推风险。因此，建立有机理依据的老化动力学模型，并明确加速试验条件与实际服役条件之间的关系，是高分子材料可靠性评价的重要方向。
在辐射老化试验方面，研究团队围绕剂量率效应、辐照后效应、湿度耦合、应力耦合、热耦合以及老化产气等问题开展了系列研究。通过提高剂量率或升高温度可以缩短试验周期，但必须判断材料是否存在剂量率效应，以及热老化与辐射老化之间是否存在协同或竞争关系。研究发现，部分材料存在明显剂量率效应，其规律与国际实验室相关研究结论具有相似性；辐照停止后，材料内部反应仍可能持续发生，后交联等过程会导致性能继续变化，因此不能只以辐照终点状态作为服役评价依据。
报告还特别提到，实验室环境与实际装备环境之间存在差异。例如，实验室常温条件下湿度较高，而实际装备内部可能处于极低湿环境，湿度仅为一两百ppm甚至更低，不同湿度条件可能改变自由基反应、氧化过程和材料性能退化路径。对于密封材料、缓冲材料和阻尼材料等长期处于受力状态的高分子材料，有应力和无应力条件下的辐射老化表现也可能不同，实际服役评价需要考虑加载状态。辐射与热的耦合效应同样复杂，国际标准通常认为辐射与热同时作用会带来更严重老化，但不同材料并不完全遵循同一规律，说明材料内部老化机理存在明显差异。
在密闭装备中，高分子材料老化产气也是不容忽视的风险。陈洪兵介绍，材料辐射老化产生的气体可能在密封空间内积累，影响其他器件可靠性。含氟橡胶、聚四氟乙烯等材料老化后可能释放含氟气体，对敏感电子器件造成腐蚀。因此，研究产气种类、浓度及其与材料老化程度之间的关系，对装备长期安全服役具有重要意义。
针对实验难以覆盖全部长期服役条件、多因素耦合试验成本高和周期长等问题，研究团队同时开展了辐射老化模拟研究。模拟工作重点关注复杂组分、环境因素和动力学过程对老化行为的影响，包括不同组分在辐射下的反应差异，添加剂和填料对老化路径的调控作用，以及分子链断裂与交联竞争、自由基生成与消亡、后效应等过程。相关计算结果与实验结果总体较为一致，可辅助解释不同材料在辐射环境下表现出的差异。
在老化表征方面，传统力学性能测试、热分析、光谱分析和结构形貌表征已经较为成熟，但对于早期微弱老化变化的灵敏度有限。陈洪兵介绍，团队发展了荧光表征、材料本征荧光表征、气体红外表征和自由基相关表征等方法。高分子材料老化后会产生羰基、羟基等极性基团，局部微环境或分子结构发生变化，荧光前驱体与老化生成结构结合后可产生荧光信号，用荧光强度反映材料老化程度，部分材料的检测灵敏度可达到几十Gy到几百Gy。对于自身具有荧光特征的材料，还可利用本征荧光变化监测老化过程，减少外加探针对材料体系的影响。
气体红外表征则可用于检测高分子材料辐射老化产生的微量气体。研究团队基于成熟气体红外设备搭建附件，可对几个Gy量级辐照后产生的气体进行灵敏检测。电子顺磁共振谱能够检测辐照产生的自由基，分析自由基生成、转化与衰减过程；荧光自由基探针则可与老化产生的自由基结合，兼具老化监测和延缓老化的潜力。
在防老化材料设计方面，陈洪兵介绍了团队通过引入抗辐射添加剂、调控交联结构、提高自由基捕获能力和改善辐射后韧性保持能力等途径开展的研究。相关设计目标是在辐照后尽量降低力学性能衰减，保持断裂伸长率、涂层完整性和材料柔韧性，降低脆化风险。团队还探索机器学习辅助材料设计，基于数据筛选耐辐射老化材料体系，优化配方和结构，为耐辐射材料开发提供新方法。
报告展示了硅橡胶、聚氨酯涂料、环氧树脂和辐射屏蔽材料等方面的研究成果。其中，针对硅橡胶开展了多项防老化改性研究，以提升其在辐射环境下的稳定性和服役可靠性；终止伽马射线屏蔽材料相关技术已实现转化，并向实际工程应用供货。耐辐射聚氨酯涂料通过使用自主设计添加剂和引入辐射敏感动态键，使材料在辐射环境下实现交联结构动态平衡。与商业聚氨酯涂层在高剂量伽马辐照后断裂伸长率明显下降、材料变脆相比，改性聚氨酯材料辐照后仍能保持较高断裂伸长率和柔韧性，弯折后不易断裂。
在耐辐射环氧树脂研究中，团队通过合成并加入自主设计的抗老化添加剂，提高了环氧树脂辐照后的韧性保持能力。普通样品在高剂量辐照后断裂伸长率大幅下降并明显脆化，而改性材料辐照后仍保持较高断裂伸长率，拉伸强度甚至可能有所提高。这类材料可用于耐辐射涂层、对韧性要求较高的防护层以及核能相关结构表面保护材料。
陈洪兵还介绍，中国工程物理研究院核物理与化学研究所已在辐射老化试验、模拟、表征和防护设计等方向形成较系统的研究基础，相关成果已形成专著并公开销售。研究所拥有20兆瓦反应堆、中子源相关平台、中子发生器和多类型辐照实验平台，剂量率和注量率覆盖范围较宽，可支持多种材料辐照实验，并具备面向外部单位开放合作的条件。未来，研究团队希望将国防装备领域积累的材料老化技术进一步应用于核能领域，推动耐辐射材料、涂层和表征方法在核工业中发挥作用，并与核能领域专家和相关单位加强合作，服务辐照老化实验和材料可靠性评价需求。
