含γ辐射复合环境下硅泡沫化学性变与力学特性耦合研究

During the service of nuclear equipment, silicone foam is under the load of long-term radiation and the state of complex stress. Hence, the evolution of chemical and mechanical properties of the silicone foam is crucial for the performance prediction and health assessment of the nuclear equipment, while the current research about the coupling mechanism of chemical and mechanical properties is not carried out comprehensively. This project intends to investigate the chemical and mechanical properties of silicon foam under complex environment containing γ radiation, to reveal the key chemical- mechanical properties of micro/meso/macro coupling mechanism of silicone foam under γ radiation environment, to accurately characterize the mapping correlation between the macroscopic properties and microscopic structures for the silicone foam under the combined radiation-temperature-mechanical load, to obtain the multi-scale constitutive model of the silicone foam under multi-field environments containing γ radiation. The evaluation method of the silicon foam under the complex service environments containing γ radiation is expected to be established, which provides a theoretical basis for predicting the performance of high confidence and health assessment of nuclear equipment.

在核装备服役期间，硅泡沫长期处于辐射和复杂应力状态下，其化学和力学性能演变规律对核装备性能预测与健康评估具有重要意义，目前并未深入开展其化学性变和力学特性的耦合研究。本项目拟研究含γ辐射复合环境下硅泡沫化学性变与力学特性，揭示含γ辐射复合环境下硅泡沫关键化学-力学特性的微/细/宏观耦合机理，准确表征辐射-温度-机械载荷复合作用下硅泡沫宏观性能和微细观结构之间映射关系，获得含γ辐射复合环境下的硅泡沫多场多尺度耦合本构模型，建立硅泡沫材料在含γ辐射复杂环境下的服役效能评价方法，为核装备的高置信度性能预测与健康评估提供理论基础。

本项目以核装备全寿命周期性能预测为研究背景，开展了关键结构材料硅泡沫在含γ辐射-温度-机械载荷条件下的化学性变与力学特性耦合研究。实现了硅泡沫微观-细观-宏观的跨尺度关联，建立了含温度、辐照效应的力学本构模型，提升了含γ辐射复合环境下硅泡沫力学行为的预测能力，在硅泡沫辐照老化机理、复合环境下的变形行为、化-力耦合建模、力学本构建模方面取得了创新性成果。主要包括：.1. 发现了硅泡沫在长时（3年）低剂量辐照环境下的剂量率效应（0.1Gy/min~100Gy/min）和辐照后交联效应；获得了硅泡沫辐照老化机理，包括硅橡胶基体交联度随辐照剂量线性增加、填料辐照产生自由基缓慢释放数年、以及填料-基体界面的辐照线性增强效应。.2. 发现了宽辐照剂量范围内（0~500kGy）和宽温度范围内（10℃~120℃），硅橡胶基体以熵弹性变形为主，力学行为表现出辐照线性硬化和温度线性硬化效应，且辐照对温度硬化无影响，硅泡沫压缩永久变形与温度线性相关、与辐照剂量非线性相关。.3. 发现了硅橡胶Mullins软化的辐照加速恢复和温度加速恢复效应；建立了含辐照效应的填料-基体界面化-力耦合模型，获得了填料含量、辐照剂量对硅橡胶Mullins效应的影响规律，模型预测与实验结果吻合良好。.4. 建立了变形状态下高分子网链交联-断裂反应的化-力耦合模型，获得了永久变形与交联密度的关系，成功预测了硅泡沫永久变形规律；建立了含辐照、温度和预加载变形量的松弛动力学数值模拟方法，获得了分子链长分布、能量分布等微结构信息在松弛过程中的演化规律。.5. 获得了硅泡沫原位加载过程中泡孔变形规律，建立了基于原位μCT形貌和泡孔统计信息的细观有限元模型，获得了泡孔尺寸、分布及孔隙率对力学性能的影响规律。.6. 建立了含辐照-温度效应的硅泡沫宏观本构模型，成功描述了复合环境下硅泡沫力学行为。. 这些研究成果可用于核装备健康评估，为长贮核装备“合理定寿，科学延寿”提供理论基础，对含γ辐射复合环境下高分子材料老化力学行为的基础研究和工程应用具有重要意义。