航天硅橡胶材料的太阳紫外辐照研究

随着航天技术的发展，宇航服等空间装备对聚合物材料的耐环境性能提出了更高要求。太空环境中，紫外辐照是导致材料性能退化的重要因素之一，尤其对硅橡胶等常用于密封、防护的关键材料影响显著。本研究通过紫创测控Luminbox太阳光模拟器，精准模拟太空紫外光谱，系统探究了两种硅橡胶材料在模拟太阳紫外辐照下的结构与性能演变规律，为航天服材料的选用与寿命评估提供理论依据。

研究背景与试验方法

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不同紫外辐照时间后硅橡胶红外测试结果

太空环境中，紫外辐照（波长100–400 nm）能量较高，足以破坏聚合物分子中的化学键，导致材料降解、性能下降。硅橡胶因其优异的耐高低温性、耐辐照性和弹性，广泛应用于航天服等关键部件。

本研究选用两种硅橡胶样品——指套硅胶与夹胶布硅胶，采用紫外太阳模拟器进行加速辐照试验。辐照条件为：波长200–400 nm，真空度优于5×10⁻⁴ Pa，连续辐照50 h，能量1.41 kcal/cm²。通过拉伸测试、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、接触角测量、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）及动态热机械分析（DMA）等手段，综合评价辐照前后材料性能与结构的变化。

紫外辐照对硅橡胶的结构与性能的影响

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1.紫外辐照对化学结构的影响

FTIR测试：指套硅胶紫外辐照前后的红外光谱

FTIR分析表明，两种硅橡胶的化学结构在紫外辐照后发生明显变化。指套硅胶在1007 cm⁻¹（Si–O–Si）和786 cm⁻¹（Si–(CH₃)₂）处的吸收峰强度降低，说明主链及侧链甲基发生断裂，以降解反应为主。夹胶布硅胶则在1007 cm⁻¹处吸收峰增强，786 cm⁻¹处减弱，表明其同时存在Si–O–Si键的交联与Si–CH₃键的断裂，即降解与交联并存。

2.紫外辐照对表面特性与结晶性能的影响

紫外辐照前后夹胶布硅胶的XPS全谱a.紫外辐照前b.紫外辐照后

XPS结果显示，经太阳光模拟器的紫外辐照后，两种硅橡胶表面碳元素含量减少，氧元素变化不一，说明材料表面发生氧化与断键。接触角测试表明，辐照后指套硅胶与夹胶布硅胶的接触角分别从99°、111°下降至82°、83°，表面能增大，疏水性下降，亲水性增强。XRD图谱显示，两种材料在12°附近归属于甲基结晶微区的衍射峰强度均降低，结晶度下降，这与甲基侧链断裂导致微晶熔化有关。

3.紫外辐照对力学与热机械性能的影响

拉伸试验表明，经太阳光模拟器的紫外辐照后，指套硅胶拉伸强度从7.31 MPa降至7.13 MPa，断裂伸长率由374%升至386%，表现出“软而弱”的趋势；夹胶布硅胶拉伸强度由2.64 MPa降至2.46 MPa，断裂伸长率由398%降至356%，呈现“脆化”特征。DMA分析进一步揭示，指套硅胶储能模量与玻璃化转变温度（Tg）均下降，分子链柔顺性提高；夹胶布硅胶因部分交联作用，储能模量上升，Tg变化不明显。

4.紫外辐照对热学性能的影响

紫外辐照前后指套硅胶的TGA和DTG曲线

TGA数据表明，经太阳光模拟器的紫外辐照后，指套硅胶的起始分解温度及残碳量均下降，热稳定性降低；夹胶布硅胶因交联结构增强，热分解温度有所提高，热稳定性反而改善。这说明紫外辐照对不同类型的硅橡胶热性能影响机制不同，与实际应用中的耐环境设计密切相关。

综上，该研究通过基于太阳光模拟器的紫外辐照试验，系统揭示了两类硅橡胶在紫外环境下的性能演变规律：指套硅胶以断链降解为主，导致强度下降、柔韧性升高；夹胶布硅胶则呈现断链与交联共存的复杂响应，最终表现为强度与延伸率同步降低，但热稳定性提升。为硅橡胶在航天服等空间装备中的选材、寿命预测与防护设计提供了重要实验依据。

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