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，介绍其在国防航天和核能工业中的应用价值，以及老化受辐射、温度、湿度、应力和材料组成等多因素耦合影响的复杂性。报告重点说明了团队在辐射老化试验、模拟计算、灵敏表征和防老化材料设计方面的工作，并希望相关技术未来能更多服务于核能领域。
关键点
1. 报告主题与研究背景（00:00）
报告人说明自己主要从国防装备高分子材料需求出发，开展了高分子材料在辐射环境下的老化试验、模拟、表征和防老化设计研究。
2. 高分子材料在辐射环境中的重要作用（00:31）
高分子材料在国防航天和核能工业中承担缓冲、粘接、密封、结构支撑等功能，具有轻量化和成本较低等特点，因此在装备设计中使用越来越多。但装备设计寿命可达几十年，而高分子材料本身较易老化，使其可靠性问题受到更多关注。
3. 老化过程受多因素耦合影响（01:35）
报告用鸡蛋在不同环境下产生不同变化的例子说明高分子材料老化的复杂性。外部环境包括辐射、温度、湿度、应力等因素耦合，材料自身还涉及物理老化、化学老化、多组分体系、复合结构和凝聚态结构差异，因此影响因素很多。
4. 寿命评估、灵敏表征与耐辐射改进是关键问题（02:52）
材料可靠性评估需要理解老化动力学，但现有经验或半经验模型缺乏机理支撑，在重要场景中使用受限。另一个问题是如何在短时间内灵敏检测低剂量率、长寿命材料的微小变化，并进一步通过材料改进提升耐辐射能力。
5. 辐射老化试验关注加速方法和环境效应（04:38）
团队研究了提高剂量率和温度等加速老化方法，并观察到部分材料存在剂量率效应。报告还介绍了辐照停止后的后效应、湿度与辐射耦合、应力与辐射耦合，以及辐射和热老化顺序对材料影响的差异，说明不同材料的机理并不完全相同。
6. 密封环境中老化产气会影响其他器件可靠性（07:45）
在密封装备中，高分子材料老化不仅会导致自身性能下降，还可能释放微量气体并影响其他器件。例如含氟材料老化可能产生含氟气体，对敏感器件造成腐蚀，因此团队研究了老化产气的表征方法及其与材料老化之间的关系。
7. 计算模拟补充实验并与结果相互验证（08:42）
报告指出实验能解决考核方法问题，但很多过程难以仅靠实验完成，因此模拟手段越来越重要。团队围绕复杂组分、环境因素和老化动力学开展计算模拟，结果与实验结果较为一致。
8. 开发荧光和气体红外等灵敏表征方法（09:39）
团队除成熟表征方法外，还开发了荧光表征方法，通过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来反映老化程度，灵敏度可达几十到几百戈瑞量级。气体红外方法可检测到几个戈瑞下高分子材料产生的气体，部分材料自身荧光也可用于老化监测。
9. 探索老化监测与防治同步进行（11:14）
团队开展了一些基础研究，尝试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。同时也使用电子顺磁共振谱等经典手段开展自由基相关研究。
10. 耐辐射材料设计与应用进展（11:56）
团队开展了防老化材料设计，包括锂硫电池粘接剂、硅橡胶防老化设计、基于机器学习的耐辐射老化材料设计，以及已转化的中子/伽马射线屏蔽材料。报告还介绍了耐辐射聚氨酯涂料和环氧树脂，通过添加剂或动态键设计提高辐照后的韧性和力学保持能力。
11. 面向核能领域的合作展望与平台介绍（15:01）
报告人希望将装备领域积累的相关技术用于核能领域，并介绍所在单位具备二十兆瓦反应堆、中子发生器等辐照平台，剂量率和中子通量范围较宽，可支持外部相关实验合作。
时间线
00:00 - 开场介绍报告人背景，并说明报告将围绕辐射环境下高分子材料老化、表征和防护设计展开。
00:31 - 说明高分子材料在国防航天和核能工业中的功能价值，以及长寿命装备对材料可靠性提出的需求。
01:35 - 从老化复杂性切入，概括环境耦合、材料机理和复合结构给寿命评估带来的挑战。
04:38 - 进入团队工作介绍，首先梳理辐射老化试验中的加速考核、剂量率、湿度、应力、热耦合和产气问题。
08:42 - 转向模拟研究，说明计算模拟用于补充实验并分析复杂组分、环境因素和老化动力学。
09:39 - 介绍老化表征技术，包括荧光方法、气体红外检测、自发荧光分析以及自由基相关检测。
11:56 - 介绍耐辐射与防老化材料设计工作，涵盖涂料、环氧树脂、硅橡胶、粘接剂、屏蔽材料和机器学习辅助设计。
15:01 - 最后展望与核能领域合作的可能性，并简要介绍所在单位辐照实验平台和对外合作条件。
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陈洪兵：聚焦高分子材料辐射老化，推动试验模拟表征与防护设计协同发展
在国防装备、航天和核能工业等领域，高分子材料因轻量化、成本较低以及具备金属和无机材料难以替代的功能特性，被广泛用于缓冲、粘接、密封、结构支撑、阻尼与防护等关键环节。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围绕“高分子材料辐射环境老化试验、模拟、表征与防老化设计”介绍了团队在相关方向的系统研究。随着装备设计寿命不断延长，一些关键系统需要服役几十年，高分子材料自身易老化的特点与辐射环境带来的加速退化效应叠加，使其长期可靠性成为必须面对的重要科学和工程问题。
高分子材料辐射老化具有显著复杂性。一方面，实际服役环境并非单一辐射作用，辐射剂量、剂量率、温度、湿度、应力以及热与辐射的协同作用都会影响材料性能演化；另一方面，高分子材料本身通常不是单一组分，常以混合物、复合材料、多层结构或特定形态组合存在。辐射作用下，材料内部可能同时发生物理老化、化学老化以及交联、断链、氧化等多种过程，这使得寿命评估、机理识别和防护设计都面临挑战。陈洪兵指出，现有经验或半经验模型在重要装备应用中仍需进一步验证，尤其在长寿命、低剂量率服役条件下，如何更早发现微小老化变化，是提升可靠性评估能力的关键。
在辐射老化试验方面，加速老化是缩短长期服役考核时间的重要手段，常见方法包括提高剂量率和提高温度。但加速试验不能简单等同于真实服役过程，必须关注剂量率效应以及热老化与辐射老化之间的耦合关系。研究发现，部分重点关注材料存在明显剂量率效应，这与国际相关实验室的研究结果具有相似结论。同时，辐照停止后材料仍可能继续发生变化，出现后交联等辐照后效应，因此材料评价不仅要看辐照过程中的变化，也要关注辐照后的持续演化。
湿度和应力也是影响辐射老化的重要因素。陈洪兵介绍，实验室环境湿度通常较高，而装备密封环境中的湿度可能极低，仅为一两百ppm甚至更低。不同湿度条件下，高分子材料辐射老化行为可能存在明显差异，因此湿度不能在寿命评估中被忽略。对于密封材料、缓冲材料和阻尼材料而言，应力状态同样会改变辐射对材料的作用方式。有应力和无应力条件下，材料的老化行为与性能退化路径可能不同，这要求试验设计更加贴近实际服役状态。
热与辐射耦合老化的规律也并非对所有材料完全一致。通常认为，辐射与热同时作用时老化最为严重，其次是先辐射后热，再次是先热后辐射。部分材料符合这一规律，但也有材料表现出不同结果，说明不同体系的老化机理存在显著差异。除力学性能退化外，老化产气问题也值得关注。在密封环境中，高分子材料老化产生的微量气体可能不断积累，并对其他器件的可靠性产生影响。例如含氟橡胶、四氟乙烯等材料在老化过程中可能产生含氟气体，对敏感电子器件造成腐蚀风险。因此，团队将微量老化气体检测、气体生成规律及其与材料老化程度之间的关系作为重要研究内容。
针对许多微观机制和长期演化过程难以直接通过实验观察的问题，模拟研究成为辐射老化研究的重要支撑。通过计算模拟，可以分析不同组分在辐射下的反应路径，研究复合体系中各组分对老化的贡献，解释温度、湿度、辐射等多因素共同作用下的老化差异，并进一步辅助建立老化动力学模型。陈洪兵表示，相关计算模拟结果与实验结果总体较为一致，可为寿命评估和材料设计提供支撑。
在老化表征方法开发方面，团队围绕早期、灵敏检测开展了多种技术探索。传统宏观性能变化往往需要材料受到较高剂量辐照后才能明显观察到，而实际服役中更需要在低剂量、早阶段捕捉材料变化。荧光表征方法利用高分子材料老化后产生的极性基团或局部结构变化，通过荧光前驱体与老化产物结合产生荧光，以荧光强度反映老化程度。不同材料的灵敏度有所差异，部分体系可实现几十格瑞到几百格瑞级别的检测能力。对于部分自身具有荧光特性的材料，还可利用本征荧光变化监测老化过程，无需额外添加荧光探针，适合开展基础机理研究。
气体红外表征和自由基表征也是团队的重要研究方向。基于成熟气体红外设备，研究人员自行搭建相关附件，实现对较低剂量下高分子材料产生微量气体的高灵敏检测。自由基是辐射老化过程中的关键活性中间体，团队一方面探索荧光自由基探针，使其与老化过程中产生的自由基结合，在延缓老化的同时用于监测老化；另一方面利用电子顺磁共振谱检测和分析材料辐照产生的自由基，为揭示辐射老化机理提供经典而有效的手段。
在防老化材料设计方面，团队围绕提高材料在高剂量辐射下的性能保持率、延缓脆化断裂和力学性能下降开展了多路径研究。相关策略包括添加抗老化助剂、引入辐射响应结构、采用机器学习辅助材料设计，并结合实验与模拟优化材料配方。这些研究面向涂层、密封、缓冲等应用需求，同时也拓展到锂硫电池粘接剂、硅橡胶耐辐射改性、中子与伽马屏蔽材料等方向。其中，部分屏蔽材料技术已实现转化，并应用于实际供货场景。
在耐辐射涂层与树脂材料方面，团队取得了具有应用潜力的成果。针对聚氨酯涂料，研究人员通过自主设计添加剂并引入辐射敏感动态键，使材料在辐射条件下实现交联结构动态平衡。相比商业聚氨酯涂层在高剂量伽马辐照后断裂伸长率降至约三十多百分比并明显变脆，改性聚氨酯涂层辐照后断裂伸长率仍可保持在约一百三十多百分比，材料依然具备较好柔韧性，不易折断。针对环氧树脂，团队通过自主合成抗老化添加剂提升其辐照后的韧性保持能力。普通样品辐照后断裂伸长率可能降至约百分之一点几，表现出严重脆化，而改性材料断裂伸长率可由约百分之六十多保持到约百分之三十七点几，拉伸强度在辐照后仍可保持甚至有所提高。
涂层材料在核能设施、防护涂层和结构表面功能涂层等场景中具有重要应用前景。陈洪兵指出，涂层不仅要在辐照后保持性能，还要在基底开裂时具备足够延展性和抗裂能力，避免自身随之开裂。因此，耐辐射涂层设计不能只关注强度，也必须重视韧性和长期可靠性。
依托长期积累，团队已在辐射老化试验、老化动力学与机理模拟、高灵敏表征方法开发、防老化材料设计与应用验证等方面形成较为系统的研究基础，并出版相关专著，部分技术已实现工程转化。面向未来，陈洪兵表示，希望将国防装备领域积累的高分子材料辐射老化研究经验和防护设计技术进一步用于核能场景，加强与核能领域专家的交流合作。研究团队所在平台拥有二十兆瓦反应堆、中子源和中子发生器等多类辐照平台，剂量率和注量率覆盖范围较大，并依托中子科学与技术全国重点实验室，可为外部相关实验和合作研究提供支撑。
