γ辐照作用下GFRP电绝缘性能及其微观结构机理研究

郑莉芳¹，崔哲¹，王兆中¹，谢亚杰²，岳丽娜³，陈璇琪¹

1. 北京科技大学机械工程学院2. 北京科技大学材料科学与工程学院3. 华北科技学院环境工程学院

摘 要：玻璃纤维增强塑料（GFRP）作为一种具有良好电绝缘性能、热绝缘性能和力学性能的复合材料,在高能物理和核物理实验中被用来制作支撑设备,而高能物理和核物理实验中往往会产生一定剂量的γ或中子辐照,进而改变GFRP的性能。为保证GFRP支撑设备在辐照条件下的安全运行,有必要对辐照前后GFRP的电绝缘性能进行研究。本研究通过导电性能测试仪、扫描电子显微镜、红外光谱和X射线光电子能谱研究了γ辐照前后GFRP电绝缘性能的变化规律,并从微观结构上揭示了引起材料电绝缘性能变迁的机理。结果表明:GFRP平均电阻率与辐照剂量之间具有明显的线性关系,在经20 k Gy、100 k Gy和200 k Gy的γ辐照后,其平均电阻率由辐照前的8. 16×10¹²Ω·m分别提高到15. 88×10¹²Ω·m、23. 13×10¹²Ω·m和43. 15×10¹²Ω·m,辐照使GFRP的平均电阻率升高,电绝缘性增强。通过对GFRP微观结构进行研究,发现辐照后玻璃纤维表面出现裂纹,环氧树脂呈现碎片化趋势且有孔洞出现,二者之间的界面遭到破坏,分子键发生断裂,GFRP发生了氧化老化,这些均为GFRP电绝缘性能增强的重要原因。GFRP材料可以满足高能物理和核物理辐照环境下的高电绝缘性要求。

关键词：玻璃纤维增强塑料;电绝缘性;电阻率;γ辐照;环氧树脂;