氮化硼/高分子纳米复合材料的制备及其辐射稳定性研究

This project aims at the synthesis, radiation stability and mechanism of reinforcement in radiation stability of novel nanocomposites prepared by composition of boron nitride (BN) nanomaterials, which possessed plenty of advantages including excellent thermal stability, extremely low density, excellent mechanical strength and thermal conductivity, and polymer materials. Boron nitride nanotubes and nanosheets will be modified with functionalized polymer chains, which have good compatibility with polymer matrix, by radiation grafting and chemical modification. Radiation-resistant BN/polymer nanocomposites will be further synthesized via solution blending and melt blending. γ-ray, electron beams and neutron beams will be used in the evaluation of radiation resistance of BN/polymer nanocomposites. Despite the traditional mechanical strength test, investigation on variation in chemical and physical structure will be also applied in the study of radiation stability. The radiolysis kinetics of the nanocomposites will be studied via pulse radiolysis. The above research can reveal how BN nanomaterials reinforce the radiation stability of matrix and illuminate the effect of size and interface of BN nanomaterials. The results of this project are expected to provide theoretical basis of the design for radiation-resistant polymer nanocomposites in the realm of aerospace, nuclear energy and national defense, which possesses a broad practical application prospect.

本项目拟利用具有耐高温、超轻、优良的机械性能及导热性等众多优点的氮化硼（BN）纳米材料与多种高分子制备新型纳米复合材料，并着重对辐射稳定性及辐射稳定性增强机理进行研究。技术上将采用辐射接枝和化学改性的方法对氮化硼纳米片和氮化硼纳米管进行改性，在其表面修饰与多种高分子基体具有良好相容性的功能高分子链，并通过溶液共混和熔融共混制备出BN/高分子纳米复合材料，然后利用γ-射线、电子束和中子束射线对其进行耐辐射性能研究。除了通过传统的力学性能测试对这些纳米复合材料辐射稳定性进行研究外，还将研究其辐照前后化学、物理结构的变化，并结合脉冲辐解技术对复合材料辐射分解动力学进行研究，以揭示BN纳米材料对高分子基体辐射稳定性的增强机理，阐明其尺寸和界面效应。本项目研究可为满足航天、核能和国防领域应用需求的耐辐射高分子纳米复合材料设计提供理论基础，具有广阔的实际应用前景。

高分子材料在航天、核能和国防等领域具有广泛的应用，电离辐射环境会加剧其老化进程，缩短使用寿命，甚至产生安全隐患，因此提高高分子材料的耐辐射性能尤为重要。本项目以环氧树脂、硅橡胶和氟橡胶作为主要的高分子研究对象，以氮化硼纳米材料作为填料，探究不同改性方式和不同尺寸的氮化硼对高分子耐辐射性能的增强效果。.首先利用辐射法和化学法对缺乏活性官能团的氮化硼进行改性，成果制备了羟基修饰、聚多巴胺修饰和聚甲基丙烯酸缩水甘油酯修饰的氮化硼纳米材料。同时利用脉冲辐解技术探究了羟基、聚多巴胺改性氮化硼的中间过程和动力学。其次利用球磨法、离子插层法制备了不同厚度的氮化硼纳米片，实现了从几纳米至百纳米厚的纳米片制备。.采用溶液共混法、机械共混法等不同方法分别合成了氮化硼/环氧树脂、氮化硼/硅橡胶、氮化硼/氟橡胶纳米复合材料。添加少量未改性氮化硼（<0.5 wt%），有利于提高环氧树脂的力学性能和热稳定性。而对于硅橡胶和氟橡胶，填充量较多时（1wt% - 10 wt%）则增强效果越好。通过γ射线、中子辐照实验，证明三种高分子材料中加入氮化硼都有利于提高辐射稳定性。其中对于环氧树脂，氮化硼在惰性气体下的耐辐射增强效果优于空气氛围，且剂量率对其辐射稳定性影响不大。相对于真空环境下，氮化硼对硅橡胶耐辐射性能的提升在空气氛围下更明显。添加10份氮化硼的氟橡胶，其断裂伸长率降为初始值一半时的吸收剂量比纯氟橡胶提高了110 kGy，且吸收550 kGy后，拉伸强度是纯氟橡胶的150%。改变填充氮化硼的尺寸，对氮化硼/高分子纳米复合材料的耐辐射性能基本没有影响，但是添加聚甲基丙烯酸缩水甘油酯改性氮化硼纳米材料，增大氮化硼与基体的相容性，能更大程度的提高环氧树脂的辐射稳定性。.本项目为提高高分子材料耐辐射性能积累了大量基础数据和研究思路，对我国航天、核能、国防领域的发展具有积极的推动作用。