耐烧蚀材料对无阻燃剂三元乙丙橡胶材料烧蚀性能的影响

为了提高固体火箭发动机绝热层材料耐烧蚀性能,采用三元乙丙橡胶、芳纶短纤纤维、硼酚醛树脂、过氧化二异丙苯为无阻燃剂绝热层材料的基本体系,研究了空心微珠、陶瓷微珠、玻璃鳞片、聚碳酸酯、苯并噁嗪树脂、甲基苯基硅树脂等耐烧蚀填料对三元乙丙橡胶烧蚀性能的影响。结果表明,无机填料(空心微珠、陶瓷微珠、玻璃鳞片各10份)、聚碳酸酯15份、苯并噁嗪树脂15份、甲基苯基硅树脂15份,线烧蚀率依次减少,分别为(0.203~0.222)mm/s、0.185mm/s、0.165mm/s、0.154mm/s,甲基苯基硅树脂是最理想的耐烧蚀填料,对无阻燃剂耐烧蚀三元乙丙橡胶研究具有一定的参考价值。     

填料对推进剂用RTV-2硅橡胶包覆材料性能的影响

研究了气相法白炭黑、中空玻璃微球、绢云母等几类填料对包覆层用RTV-2硅橡胶力学性能、工艺性能及烧蚀性能的影响。结果表明,气相法白炭黑的补强效果最佳,绢云母和中空玻璃微球类填料对拉伸强度虽然有3~4倍的提高,但仍达不到白炭黑的补强效果,不能满足包覆层需求。胶料粘度随着填料加入量增大而升高,由于对粘度有严重影响,白炭黑必须进行表面处理后才能使用,而其余几类填料的影响则不是很大,可直接添加。这些填料都能在一定程度上提高材料耐烧蚀性,且差别不大。制备的RTV-2硅橡胶包覆层材料的质量烧蚀率和线性烧蚀率均小于0.050 g/s和0.050 mm/s,相对于某丁羟包覆层,分别减小了60%和80%以上,满足了某固体推进剂包覆层的技术要求。     

侧链基团和填料对硅橡胶材料耐烧蚀性能的影响

为了研究侧链基团和填料对硅橡胶材料耐烧蚀性能的影响,选用具有苯环和多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)这2种侧链基团的硅橡胶基体,以及Mg(OH)2、蒙脱石、Fe2O3和短切碳纤维(1 mm)这4种填料,利用马弗炉等温烧蚀和动态热失重TG法研究不同侧链基团和填料样品的耐烧蚀机制。结果表明:苯环和POSS基团的引入使得基体初始分解温度分别提高了79 ºC和9 ºC,质量损失率分别降低了19.4%和12.0%。以Mg(OH)2 25 g(每100 g硅橡胶)、蒙脱石4 g和Fe2O3 6 g作为硅橡胶复合材料进行填料时,其质量烧蚀率为0.008 g/s,相比纯橡胶基体降低了86.8%。在以上配方中继续引入5 g碳纤维,使其质量烧蚀率降低至0.004 g/s。残炭层的微观形貌显示,短切碳纤维形成的三维骨架结构是提高硅橡胶材料耐烧蚀性能的关键。     

马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-g-MAH)对三元乙丙橡胶内绝热层材料性能的影响

为提高三元乙丙橡胶(EPDM)内绝热层材料的耐烧蚀性能,将马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-gMAH)作为基体与无机填料之间的相容剂。采用拉力试验机、多工位-氧乙炔烧蚀测试仪、热失重分析仪和扫描电镜等分析手段研究了材料的机械性能与耐烧蚀性能。测试结果表明:添加EPDM-g-MAH后,EPDM内绝热层材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均有所降低,并且随着EPDM-g-MAH含量的增大,烧蚀后形成的碳层也越来越致密均匀。另一方面,当EPDM-g-MAH质量分数为9.5%和14.3%时,EPDM内绝热层材料的力学性能大幅度提升。其中,当EPDM-g-MAH质量分数为14.3%时,EPDM内绝热层材料综合性能最为优异,断裂伸长7.8倍,提高了1.191倍;拉伸强度为6.7MPa,提高了71.8%;线烧蚀率为0.079 9mm·s-1,下降了17.2%。该结果将为更多新型填料在EPDM材料中应用提供支持。     

芳砜纶浆粕/EPDM绝热层热性能及界面特性研究

芳砜纶浆粕/EPDM绝热层是固体火箭发动机的一种高性能新型绝热材料。在分析芳砜纶浆粕和芳纶浆粕热稳定性的基础上,对比研究了芳砜纶浆粕/EPDM绝热层与芳纶浆粕/EPDM绝热层的耐烧蚀性能、热性能及界面结合,并采用热失重、动态热机械与扫描电镜等手段分析了造成性能差异的原因。实验结果表明,芳砜纶浆粕的热降解峰值温度比芳纶浆粕高100℃。与芳纶浆粕/EPDM绝热层相比,芳砜纶浆粕/EPDM绝热层的线烧蚀率、热导率和热扩散系数较低,热稳定性较高,芳砜纶浆粕与基体的界面结合较好,这有利于提高绝热层的耐烧蚀性能。芳砜纶浆粕/EPDM绝热层可作为高性能绝热材料而广泛应用。     

室温硫化硅橡胶外防护材料及成型工艺

采用正交试验研究了耐烧蚀填料、阻燃填料、纤维填料对室温硫化硅橡胶热防护材料烧蚀和力学性能的影响。结果表明,芳纶短纤对材料烧蚀性能的改善最为显著,Mg O在提高材料拉伸强度和降低伸长率上与白炭黑的作用规律相似。通过正交试验确定了性能最佳的室温硫化硅橡胶绝热材料配方,其线烧蚀率0.199 mm/s,拉伸强度2.84 MPa,扯断伸长率119.9%。同时,通过模压工艺实现了硅橡胶绝热材料在发动机外防护领域的应用。试车结果表明该材料及工艺是可行的。     

不同阻燃填料对三元乙丙橡胶材料性能影响

采用三元乙丙橡胶为基体橡胶,芳纶短纤纤维和硼酚醛树脂为耐烧蚀材料,过氧化二异丙苯为硫化剂的绝热层体系,研究了不同阻燃填料对三元乙丙橡胶材料性能的影响,同时综述了影响机理,期望对耐烧蚀、抗冲刷的绝热层研究提供一定的参考。     

硼酚醛树脂/丁腈橡胶烧蚀材料性能研究

探讨了硼酚醛树脂/丁腈胶烧蚀材料体系的烧蚀机理,并详细研究了硼酚醛树脂含量对烧蚀材料烧蚀性能、力学性能和加工性能的影响。结果表明,硼酚醛树脂可以显著提高烧蚀材料的耐烧蚀性能,同时对材料的拉伸强度和断裂伸长率有相反的影响,并对胶料具有延迟硫化作用。     

环三磷腈基多官能液体环氧树脂(HGCP)的合成与热性能

以六氯环三磷腈、2,3-环氧基-1-丙醇为原料,得到六缩水甘油基环三磷腈(HGCP)。通过红外、核磁、质谱及元素分析对产物结构进行了表征,并研究了溶剂、原料配比、反应温度和时间对反应的影响。结果表明,合成的最佳条件是:四氢呋喃为溶剂,反应物料配比为n(2,3-环氧基-1-丙醇):n(六氯环三磷腈)=7.62,反应温度为30℃,反应时间4.0 h,产品收率达到78%。选取顺丁烯二酸酐(MA)和4,4-二氨基-二苯-甲烷(MDA)为固化剂,通过热失重分析和线烧蚀率研究了不同固化体系的耐热性和耐烧蚀性。研究表明,六缩水甘油基环三磷腈表现出优良的热稳定性,其交联产物EPG-1和EPG-2在高温条件下残炭量较高,线烧蚀率分别为0.344 mm/s和0.364 mm/s,可作为固体火箭推进剂绝热包覆材料使用。     

液体火箭发动机喷管延伸段C/C-SiC复合材料的性能

采用化学气相渗透(CVI)和液相浸渍裂解(PIP)混合工艺制备出三维针刺C/C-SiC(材料A、B)和C/C(材料C)复合材料,研究了复合材料的力学、抗热震和耐烧蚀等性能以及SiC涂层对烧蚀性能的影响,并采用扫描电子显微镜分析了材料的断裂面和烧蚀面形貌。结果表明,材料A(SiC基体含量较高)的性能较好,其弯曲强度、线烧蚀率及抗热震系数分别达到238.4 MPa、3.0×10~(-3)mm/s和35.3 kW/m。沉积SiC涂层后,材料A、B和C的线烧蚀率较之前分别降低33.0%、12.5%和37.5%。采用材料A+SiC涂层方案研制的喷管延伸段构件,进行780 s地面热试车考核,试车后构件结构完整。     

一种新型热防护涂料研究

研究了一种用于超音速飞行器的新型热防护涂料。分析了涂层材料应具有的特性,在此基础上对作为基体的有机硅改性环氧树脂的性能进行了研究,并筛选了改进涂层材料力学性能和隔热性能的填料,最后研究了涂层材料的综合性能。研究结果表明,有机硅改性环氧树脂的拉伸强度达到9.38 MPa,断裂伸长率达到16%,热分解温在340℃~640℃;涂层材料具有良好的力学性能、热性能和烧蚀性能,其拉伸强度为7.1MPa,断裂伸长率为1.04%,附着力为498.4 N/cm2,比热容为1.627×103J/(Kg.K),导热系数为0.146 W/m.K,隔热性能参数为0.087kg2/(m4.s),氧-乙炔烧蚀的线烧蚀率为0.194 mm/s,质量烧蚀率为0.0729 g/s。     

相容剂改善硅橡胶/EPDM共混热防护材料性能的研究

对一种用相容剂改善硅橡胶/三元乙丙橡胶(EPDM)共混热防护材料的性能进行了研究。在硅橡胶/EPDM共混体系中加入自制的相容剂以提高两者的相容性,给出共混工艺。用扫描电镜(SEM)、热重分析仪(TGA)、氧-乙炔烧蚀仪等方法研究了相容剂对热防护材料性能的影响。结果表明:该相容剂可改善硅橡胶与EPDM两相间的相容性,使混合体系更均匀,断裂处更平整,并显著提高了共混绝热复合材料的力学性能和热稳定性,其中:拉伸强度提高了20%以上;相容剂用量为10份时,硅橡胶/EPDM共混复合材料的初始降解质量分数10%的温度提到至437.5℃,发生最大质量损失速率时的温度提高至466.2℃;随着相容剂的增加,共混绝热复合材料的线烧蚀率逐渐下降,相容剂用量为10份时,线烧蚀率可下降至0.058mm/s。     

某小型固体火箭发动机燃烧室绝热层特性

介绍了一种中温固化的强度高、力学性能好、隔热性能优良的环氧型固体火箭发动机燃烧室绝热层,讨论了树脂及固化剂类型的选择以及改性环氧树脂体系的反应机理,满足了小型固体火箭发动机燃烧室绝热层的粘接和耐烧蚀性能的要求。     

石墨/AlSi耗散防热材料喉衬烧蚀试验研究

为提高石墨的耐烧蚀性能,利用压力浸渗方法将AlSi合金渗入石墨孔隙中获得石墨/AlSi耗散防热复合材料。利用小型烧蚀实验发动机开展了不同推进剂和压强工况下石墨/AlSi耗散防热复合材料喉衬和C/C喉衬的对比烧蚀试验研究,总结了推进剂铝含量、燃烧室压强对相对烧蚀性能影响,并分析石墨/AlSi耗散防热复合材料的抗烧蚀机理。结果表明,石墨/AlSi耗散防热复合材料喉衬线烧蚀率低于相同状态下C/C材料喉衬的线烧蚀率,其中在铝质量含量5%、压强12.5 MPa工况中石墨/AlSi喉衬线烧蚀率降低92%。分析认为石墨/AlSi耗散防热复合材料的抗烧蚀机理主要为:石墨孔隙内的AlSi合金通过熔化和气化相变吸收热量,降低了石墨基体的热负载;AlSi合金的熔化后在表面形成的液态膜阻碍了燃气中氧化性成分向石墨基体中的扩散;合金气化产生的Al、Si蒸气在引射作用下注入边界层,与边界层中氧化组分发生反应,降低其中的氧化组分浓度;AlSi合金氧化后形成的Al_2O_3-SiO_2玻璃态熔融层减弱燃气对喉衬机械剥蚀作用。最终石墨/AlSi耗散防热复合材料喉衬表现出优异的抗烧蚀性能。     

耐烧蚀溴-锑体系三元乙丙橡胶绝热层的初步研制

在绝热层配方组分筛选的基础上,采用过氧化物硫化体系,芳纶纤维和耐烧蚀硼树脂作为耐烧蚀填料,阻燃剂为含溴的阻燃剂和三氧化二锑以及少量的硼酸锌,并通过L9(33)正交实验确定了含溴的阻燃剂、三氧化二锑、硼酸锌的最佳用量分别为20份、15份、3份。确定的最佳配方和工艺生产出的三元乙丙橡胶绝热层的密度为1.188g/cm3,线烧蚀率为0.118mm/s,质量烧蚀率为0.063g/s,表明该体系初步满足了某小型固体火箭发动机燃烧室内壁绝热层的基本技术要求。     

芳纶纤维和丁腈橡胶体系绝热层新配方的研制

采用含卤-锑的阻燃剂,芳纶纤维代替石棉纤维,研制了耐烧蚀的丁腈橡胶绝热层新配方(D210配方)。试验研究了芳纶纤维用量、卤-锑阻燃剂用量及纤维排布方向对绝热层烧蚀性能的影响;研究了增塑剂用量对绝热层玻璃化温度的影响。结果表明,芳纶纤维用量为4份时,绝热层烧蚀性能最佳,线烧蚀率为0.051 mm/s,质量烧蚀率为0.069 g/s;在选定的阻燃剂用量范围内,阻燃剂对绝热层烧蚀性能影响不大;所选增塑剂用量为20份时,玻璃化温度Tg可达-40℃。试验还对绝热层力学性能、硬度、粘接性能、比热容、导热等性能进行了测试,表明新研制的耐烧蚀橡胶有可能成为替代传统的石棉纤维和丁腈橡胶体系的固体火箭发动机燃烧室内绝热层。     

预制体及基体对C/C复合材料性能的影响

研究了预制体结构及其成型工艺和基体类型对C/C复合材料的力学性能、烧蚀性能和微观结构的影响。结果表明,它们对C/C复合材料的拉伸和压缩强度影响不显著,而对剪切性能影响明显。采用CVD成型工艺和树脂炭基体,对于二维预制体,C/C复合材料的剪切强度可达19MPa;对于准三维预制体,C/C复合材料层间剪切强度可达20MPa。不同类型的基体炭对复合材料的耐烧蚀性影响不同,CVD炭具有优异的抗烧蚀性能,树脂炭与沥青炭的抗烧蚀性能较差。采用先沉积后树脂浸渍炭化补充增密,可制备综合性能优异的热结构复合材料。     

烧结温度对C/C-ZrC-SiC复合材料性能的影响

以葡萄糖作为碳源,硅溶胶作为硅源,氧氯化锆作为锆源,采用水热共沉积-碳热还原法制备了C/C-ZrC-SiC复合材料,研究了材料的烧结温度对C/C-ZrC-SiC复合材料的微观形貌、力学性能和耐烧蚀性能的影响。结果表明,烧结温度对水热共沉积制备C/C-ZrC-SiC复合材料的性能影响显著。水热共沉积制备的C/C-ZrO_2-SiO_2陶瓷在1600℃下烧结,可获得C/C-ZrC-SiC复合材料,ZrC和SiC陶瓷相颗粒粒径约为500 nm,在基体中均匀分布。1600℃烧结的C/C-ZrC-SiC复合材料表现出最佳的力学性能和抗烧蚀性能,其最大弯曲强度为173.8 MPa,质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.28×10~(-4)g/(cm~2·s)和1.67μm/s。过高的烧结温度导致晶粒粗大、孔隙缺陷增多,使得复合材料力学性能恶化、抗烧蚀性能大幅降低。     

C/SiC刹车材料硼硅玻璃防氧化涂层的结构与性能

采用溶胶-凝胶法制备了C/SiC刹车材料硼硅玻璃防氧化涂层。用FTIR、XRD、TG-DSC研究了溶胶到玻璃的形成过程,并分析了硼硅玻璃涂层的防氧化性能及抗热震性能。结果表明,所得硼硅玻璃涂层均匀、致密,并与基体结合紧密。在800℃,硼硅玻璃涂层具有优异的防氧化性能,良好的高温稳定性和抗热震性能,尤其具有优良的耐海水侵蚀性能。在800℃氧化10 h,未经海水浸泡的涂层样失重率约为0.33%;经过海水浸泡的涂层样失重率约为2.36%。经50次热震(共氧化10 h)后,涂层保持完好,失重率约为9.79%。     

POSS改性EPDM耐烧蚀复合材料的制备及性能

由于高性能推进剂的广泛应用,导致固体火箭发动机燃烧室内的燃烧温度与工作压强不断升高,因此研制出性能更加优异的隔热层迫在眉睫。以三元乙丙橡胶(EPDM)为基体,气相纳米Si O2为补强填料,首次引入八甲基丙烯酰氧基丙基POSS(MA-POSS),经由过氧化物引发双键之间的自由基聚合反应,制备了POSS改性EPDM耐烧蚀复合材料。研究了MA-POSS与气相纳米Si O2的添加量对隔热材料的交联度、力学性能、热稳定性、耐烧蚀性能的影响。在POSS与气相纳米Si O2协同作用下,改性后的材料各项性能均有所提升。结果表明,当气相纳米Si O2含量为40份、MA-POSS为5份时,凝胶含量高达92.61%,拉伸强度为12.02 MPa; MA-POSS含量为3份时,复合材料的线性烧蚀率和质量烧蚀率最低,分别为0.296 mm/s和0.100 g/s。