颗粒冲刷条件下硅橡胶绝热材料烧蚀特性实验研究

为了研究颗粒冲刷条件下硅橡胶绝热材料的烧蚀规律和特性,采用一种颗粒冲刷状态可调的实验发动机,以添加有短切碳纤维和高硅氧玻璃纤维的硅橡胶为研究对象,开展了颗粒聚集浓度范围为34.5~75.3kg/m3,冲刷速度为9.4~35.9m/s,角度为19.3°~55.5°条件下的13次热试车实验,获得了颗粒冲刷状态参数和炭化烧蚀率之间的宏观影响规律,通过对试验后试件的宏观形貌和微观结构特征进行分析,初步探讨了硅橡胶绝热材料的烧蚀机理。研究结果表明:(1)和EPDM绝热材料的烧蚀规律和特性不同,实验条件下硅橡胶炭化层更厚且致密,硅橡胶材料的最大烧蚀率随颗粒聚集浓度变化较为敏感,当超过50kg/m3临界浓度值时,烧蚀率随浓度的增加而急剧增大。最大烧蚀率随颗粒冲刷速度增加而增大,并呈现出先急剧增加后缓慢增加的趋势;(2)在颗粒冲刷速度较低条件下,硅橡胶材料烧蚀率要高于EPDM的,在颗粒冲刷速度较高条件下,硅橡胶耐冲刷性能要略优于EPDM的;(3)硅橡胶的热分解温度区间约为623~989K,在烧蚀过程中,高硅氧纤维和硅橡胶分解产生的Si O2会渗透到炭化层骨架中,进一步和C反应形成Si C,从而使炭化层致密化,具备耐冲刷特性;(4)通过分析烧蚀形貌和微观特征,初步提出了三层一面(基体层,热解层,炭化层,冲刷面)的烧蚀物理模型。     

高浓度颗粒流冲刷条件下硅橡胶和EPDM绝热材料动态烧蚀实验

利用X射线实时诊断技术(RTR)针对硅橡胶和EPDM绝热材料,开展了高浓度颗粒流冲刷条件下动态烧蚀实验研究,成功获得了绝热材料烧蚀表面退移过程的序列图像。研究表明:(1)在本实验条件下,硅橡胶绝热材料颗粒冲刷区域的瞬时烧蚀率在0～2s内迅速增加,2s之后瞬时烧蚀率略有下降并趋于稳定;EPDM绝热材料颗粒冲刷区域的瞬时烧蚀率在0～1s内迅速增加,1s之后瞬时烧蚀率趋于稳定;(2)相同冲刷条件下硅橡胶绝热材料抗颗粒流冲刷性能比EPDM绝热材料差,硅橡胶绝热材料不适合在高过载发动机中应用;(3)高浓度颗粒流冲刷条件下绝热材料的烧蚀率比常规条件下要严重的多,其机理主要是高温颗粒流对炭化层有强烈的机械剥蚀效应和热化学烧蚀作用。实验结果对硅橡胶和EPDM绝热材料烧蚀机理研究及烧蚀建模具有重要参考价值。     

双脉冲固体发动机燃烧室EPDM绝热层烧蚀性能实验研究

双脉冲发动机工作时燃烧室内部热环境复杂,对内绝热层设计提出很高要求,但对双脉冲发动机燃烧室内EPDM绝热层的烧蚀性能研究较少。为此,本文提出了工作时间为15s和两次点火工作时间为7.5s+7.5s的发动机实验方案,以研究双脉冲固体发动机燃烧室内EPDM绝热层的烧蚀性能。采用SEM电镜扫描、微米CT测试分析获得了烧蚀试件的表面宏观形貌、炭化层表面和断面微观形貌以及炭化层三维构型;利用测厚仪测量结果计算了试件的烧蚀率。结果表明,在总工作时间相等的情况下,双脉冲发动机中EPDM绝热层的烧蚀率比传统发动机大;与传统发动机中单次热冲击下烧蚀后试件相比,双脉冲发动机二次热冲击下烧蚀后试件的炭化层厚度减小约50%,总体孔隙率增大约13%;烧蚀表面致密层的致密程度也有所减小。双脉冲发动机工作时,EPDM绝热层的烧蚀性能在二次热冲击下发生较大变化,需在燃烧室内绝热层的设计过程中予以重视。     

纤维织物增强三元乙丙橡胶绝热材料的制备及性能

为了改善传统短切纤维增强复合绝热材料横向性能较差、层间剪切强度较低、耐冲击性能不足的问题,制备了几种纤维织物增强三元乙丙橡胶(EPDM)复合绝热材料。研究了不同纤维表面改性方法对聚酰亚胺(PI)、芳纶(F-12)和碳纤维(CF)三种纤维织物与EPDM之间的界面粘接性能。将优选的纤维处理方法对三种纤维布进行表面改性处理,制备了纤维织物增强的EPDM复合材料。测试了其力学性能以及耐烧蚀性能。结果表明:三种绝热材料的拉伸强度均在30 MPa以上,耐烧蚀性能优异。在三种织物特定的编织结构条件下,PI/EPDM的线烧蚀率较小,碳层保留最为完整,综合性能最为优异,有望在高性能固体火箭发动机中获得应用。     

纤维结构对EPDM 复合材料性能的影响

对比了聚酰亚胺纤维、芳砜纶、芳纶纤维的热稳定性,并分别以这三种纤维为增强体,制备了短纤
维填充的三元乙丙(EPDM)热防护复合材料,对该材料的耐烧蚀性能、碳化层结构、力学性能以及纤维在橡胶
中的分散性进行了研究,结果表明聚酰亚胺纤维具有比芳砜纶、芳纶纤维更高的热稳定性和残碳率,由其填充
的EPDM 复合材料耐烧蚀性能最好,烧蚀深度为0. 8 mm。纤维在橡胶中的分散性与纤维结构有关,进而影响
复合材料的力学性能以及碳化层结构特性。     

EPDM/CR并用橡胶绝热层性能研究

不同种类的橡胶并用是提高制品性能的有效途径之一。通过在三元乙丙橡胶（EPDM）中混入部分氯丁橡胶（CR），研究了并用橡胶绝热层性能的影响规律。结果表明，在EPDM橡胶中并用适量CR橡胶可以改善其性能。当EPDM/CR并用橡胶中CR用量不大于30份时，并用橡胶的硫化特性、耐热性能和拉伸力学性能可以得到明显改善，而并用橡胶的玻璃化转变温度、制备工艺等基本特性并不会发生本质改变；此外，烧蚀试验结果表明，CR橡胶的混入增加了基材烧蚀后在芳纶纤维表面的沉积量，有利于提高绝热层的耐烧蚀性能；应用结果表明，EPDM/CR并用橡胶绝热层的拉伸强度和烧蚀性能优于单一EPDM橡胶绝热层。     

硅橡胶涂覆织物的性能优化研究

为优化硅橡胶涂覆织物的防隔热效率,在硅橡胶基体中添加新型耐烧蚀填料,采用新型骨架材料,制备出耐烧蚀硅橡胶涂覆织物;分别研究了纤维织物、耐烧蚀填料对硅橡胶涂覆织物的柔性、拉伸性能和烧蚀性能的影响。试验结果表明:硅橡胶涂覆织物的柔性和拉伸性能主要由纤维织物决定;M40J碳纤维织物作为骨架材料的硅橡胶涂覆织物烧蚀性能更优;当添加短切黏胶基碳纤维作为耐烧蚀填料时,硅橡胶涂覆织物在较高热流条件下(480 kW/m~2、120 s)的防隔热效率更高。     

C/C复合材料在再入模拟环境中烧蚀性能研究

为了研究轴棒法编织的高密度碳/碳(C/C复合材料在再入飞行时的烧蚀性能,采用热等离子体地面模拟再入烧蚀系统对C/C复合材料进行烧蚀试验。试验中分别采用氮气(N、氧气(O和空气作为工作气体,对比研究C/C复合材料在不同环境中的烧蚀率和烧蚀性能。结果表明,三种情况下试样的烧蚀率和微观形貌有很大差异;纯氧气时氧化反应的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0423mm/s和0.0451g/s大于纯氮气时氮化反应的0.0314mm/s和0.0338g/s也大于空气成分时复合反应的0.0215mm/s和0.0208g/s在试样烧蚀的热影响区发生轻微开裂;三种工况下的烧蚀机理不同,分别是碳的升华、碳的氧化和碳氮反应的某种组合。     

EPDM 绝热层的热化学烧蚀机理

介绍了固体火箭冲压发动机EPDM绝热层的烧蚀过程及模型,在忽略粒子侵蚀和机械剥蚀的基础上,分析了EPDM炭化层表面的主要热化学烧蚀反应及烧蚀产物的确定方法,提出了炭化层烧蚀率的粗略预示方法,对EPDM绝热层的热化学烧蚀机理进行了初步探索。     

硅橡胶涂覆织物的阻燃和烧蚀性能

为了提高硅橡胶涂覆织物的阻燃和烧蚀性能,本文采用在硅橡胶组分中添加阻燃剂的方法,制备出新型阻燃硅橡胶涂覆织物,对其阻燃性能与烧蚀性能进行测试,并与军用硅橡胶涂覆织物进行对比分析。实验结果表明:新型阻燃硅橡胶涂覆织物W-1和W-2的阻燃性能分别优于军用硅橡胶涂覆织物J-1和J-2,氧指数更高,续燃时间更短;两者的烧蚀性能比较接近,阻燃硅橡胶涂覆织物的氧乙炔烧蚀试验的停车时温度略低、最高温升却略高,且烧蚀层、完好层相近。     

耐烧蚀填料对三元乙丙橡胶内绝热材料性能的影响

介绍了非石棉型有机短纤维和无机填料作为耐烧蚀填料在三元乙丙橡胶内绝热材料中的应用。探讨了它们对三元乙丙橡胶内绝热材料的力学性能、烧蚀性能的影响；同时对耐烧蚀填料的分散状况及加入耐烧蚀填料的三元乙丙橡胶内绝热材料的相关物理性能进行了测试与分析。结果表明：为获得综合的力学性能，耐烧蚀填料应控制合适的份数；非石棉型有机短纤维的加入可以大大提高耐烧蚀能力；所配制的三元乙丙橡胶内绝热材料密度低、隔热性能良好。     

EPDM材料热解后准静态压缩力学性能

为研究三元乙丙(EPDM)包覆层材料热解过程及其热解后的力学行为,采用热重分析(TGA)对EPDM的热稳定性进行分析,基于其TGA曲线与热降解温度,通过电阻炉设定不同的温度进行热解实验,然后利用万能实验机完成准静态单轴压缩实验.结果表明:EPDM材料的抗压性能随着热解温度的升高呈先减小再升高而后降低的趋势,可大体分为3个阶段.通过分阶段建立模型来更好地描述材料不同热解程度下的力学行为,采用2阶Polynomial超弹模型与温度相关项相结合等方式预测不同温度热解后EPDM材料的力学响应,对比实验结果发现模型拟合精度良好.      

耐高低温硅橡胶的研究

通过热空气老化试验研究了金属氧化物对提高甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)、甲基苯基乙烯基硅橡胶(PVMQ)、三氟丙基甲基乙烯基硅橡胶(FVMQ)耐热性的作用;通过压缩耐寒系数试验和动态机械热分析(DMTA)研究了甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)、甲基苯基乙烯基硅橡胶(PVMQ)和三氟丙基甲基乙烯基硅橡胶(FVMQ)的低温性能.试验结果表明:Fe2O3,Fe2O3/SnO2,SnO2,CeO2等金属氧化物可以显著提高硅橡胶的耐热性.光电子能谱(XPS)分析结果说明SnO2在热空气老化过程中从Sn 4被还原到Sn0,发生了多个电子转移的氧化还原反应,从而阻止了硅橡胶的热氧化自由基链增长,提高了硅橡胶的耐热空气老化性能;DMTA分析结果表明苯基硅橡胶和共聚氟硅橡胶具有非常优异的低温性能.     

耐烧蚀、低密度三元乙丙橡胶绝热层的研制

采用过氧化物硫化体系，芳纶纤维和耐烧蚀树脂作为耐烧蚀填料，阻燃剂为无卤的含磷阻燃剂，并通过L9(3^3)正交实验确定了含磷阻燃剂、耐烧蚀树脂、气相二氧化硅的最佳用量分别为25份、15份、15份。确定最佳配方和工艺生产出的三元乙丙橡胶绝热层密度为1．06—1．07g／cm^3，线烧蚀率为0.099mm／s，质量烧蚀率为0．043g／s，满足了某固体火箭发动机燃烧室内壁绝热层的技术要求。     

2.5D石英/酚醛复合材料的性能研究

对编织型复合材料－2．5D石英／酚醛复合材料作了初步的研究，采用先进的树脂传递模塑（RTM）工艺进行复合成型，并对其力学性能、热物理性能和烧蚀性能做了研究与分析。研究表明2．5D石英／酚醛复合材料不但具有较好的整体力学性能，而且是一种优良的抗烧蚀、防热材料。     

Ag/Ni/玻璃微珠填充硅橡胶性能

采用自制的导电填料Ag/Ni/玻璃微珠制备了导电硅橡胶,对其形貌进行了表征,对其导电性能、电磁屏蔽效能、力学性能进行了研究。结果表明,Ni的存在使Ag/Ni/玻璃微珠填充硅橡胶在低频的屏蔽效能有所增强,填充体积分数为56%时,导电硅橡胶导电性良好,10 kHz~6 GHz屏蔽效能达70.6~98.8 dB,力学性能良好。     

用于RTM工艺的烧蚀树脂及其复合材料

根据烧蚀防热复合材料RTM制备技术对树脂的要求,研究了一种适合于RTM工艺的无溶剂高残碳烧蚀树脂及其法向增强复合材料,详细讨论了树脂的黏度-温度特性、耐热性能、烧蚀性能及烧蚀复合材料的力学性能、热物理性能,并对制备的烧蚀防热材料构件进行了固体发动机热试车考核。结果表明:采用多环芳香酚改性的高邻位酚醛树脂工艺适用期长达120min、残碳率达67. 1%,使用该树脂制备的几种法向增强的复合材料层剪强度达39. 3MPa以上;该类树脂基烧蚀防热材料可作为固体火箭发动机扩张段的标准材料。     

酸酐固化剂对硅橡胶低密度烧蚀材料施工期的影响

通过对延长硅橡胶密度烧蚀材料体系施工期的研究，发现酸酐固化剂可以将环氧改性硅橡胶低密度烧蚀材料的施工期延长到24h以上，从而可能实现真空热压罐大面积灌注密度烧蚀材料的成型工艺。通过对固化材料进行红外分析，发现加入酸酐固化剂后并未改变硅橡胶和环氧树脂各自的反应，没有新的反应特征峰出现，说明环氧和硅橡胶之间无反应，只是物理共混，从材料拉伸断面的扫描电镜观察可以证实硅橡胶和环氧树脂以海－岛结构存在。