Page 23 - 理化检验-物理分册2024年第十二期

帅明坤，等：核电电缆聚合物材料的β辐照效应

后的残余断后伸长率；a为辐照引起的最大断后伸长 体积电阻率ρ都有不同程度的减小。这个结果是符
率损失量；b为和性能退化速率有关的参数。 合预期的，因为 5 MGy已经是非常大的吸收剂量，
拟合结果显示，所有曲线的决定系数和校正决 导致EPR分子结构发生严重破坏。
定系数均大于0.98，表明该模型同样适用于描述核 不同剂量率引发的断后伸长率减小程度并无
电电缆聚合物在β辐照下的性能退化。 显著差异，这是由于辐照引起的不同反应均会导致
由图 2 可知：3 种材料的体积电阻率在辐照后 断后伸长率损失。然而，不同剂量率下试样的体积
整体呈下降趋势，但并非单调减小，而是有较大的 电阻率却有明显区别，这表明剂量率对EPR的降
波动。这可能源于聚合物中交联和断链机制的竞 解机制有一定影响。特别需要注意的是，在所研究
[8]
争 ，尽管两者均会导致聚合物断后伸长率减小，但 的剂量率条件中，20 kGy/h的β辐照导致最低的断
在体积电阻率上产生了相反的效应。EPR绝缘材 后伸长率保留率（约1%）和最高的体积电阻率（约
料的初始体积电阻率比两种护套材料大 2~3 个数 2.63×10 Ω · cm）。考虑到EPR护套材料的主要功
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量级，表明其具有较高的交联程度，以实现电气绝 能是提供机械保护和环境隔离，断后伸长率应是关
缘的功能。在初始吸收剂量为 0.5 MGy的辐照条 键评估指标，这表明在剂量率为20 kGy/h时，EPR
件下，EPR绝缘材料的体积电阻率减小了近两个数 的老化降解最为严重。
量级，达到了IEC 60544-2《电气绝缘材料 确定电 4 β 辐照温度效应
β
离辐射对绝缘材料的影响 第2部分：辐照和试验程
分别在25，50，80 ℃下对EPR护套材料进行辐
序》规定的寿命终点（初始体积电阻率的10%），这
照，吸收剂量为 2 MGy，剂量率为 20 kGy/h。试样
和根据断后伸长率评估的结果一致。但继续辐照至
辐照后归一化断后伸长率和体积电阻率随辐照温度
1 MGy时， 其体积电阻率大幅增大，而后才随着吸收
的变化如图4所示，其中0 ℃对应的数据来自未辐照
剂量的增大开始单调减小，这是由于辐照初期EPR
试样。由图4可知：随着辐照温度的升高，试样的断
绝缘材料中的抗氧化剂等小分子助剂大量挥发，使
后伸长率和体积电阻率均增大，这和辐射-热耦合
聚合物的自由体积增大，导致体积电阻率减小。随
会加剧老化的观点产生了矛盾。经过25 ℃辐照后，
后辐照引发的交联反应增大了聚合物的交联密度，
EPR护套材料的断后伸长率仅剩余初始值的6%左
导致体积电阻率增大；而随着吸收剂量的进一步增
右，而在更高温度的辐照条件下，断后伸长率保留了
大，断链反应逐渐占据主导地位，最终导致体积电阻
20%以上， 并且体积电阻率高于未辐照试样。
率持续减小。
β
3 β 辐照剂量率效应
分别在剂量率为 10，20，30，50，70 kGy/h条
件下对EPR护套材料进行辐照，总剂量为5 MGy。
EPR护套材料性能随剂量率的变化如图3所示，其
中0 kGy/h的数据来自于未辐照试样。由图3可知：
在达到5 MGy的吸收剂量后，试样的断后伸长率和

图 4 EPR 护套材料性能随辐照温度的变化

有研究 [9-10] 表明，高温会促进氧气扩散，加快降
解反应速率，使材料整体降解得更加均匀，从而加剧
材料性能的退化。然而该例中，高温下试样的断后
伸长率反而更大，这似乎是不合常理的。事实上，该
例中的累计吸收剂量达到了2 MGy，远超通常探讨
辐照温度效应时的数百kGy的剂量上限。在室温下
图 3 EPR 护套材料性能随剂量率的变化 经受高剂量的辐照后，EPR材料遭受了严重的辐照
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