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。     

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。     

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。     

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。     

高超飞行器用C/SiC-ZrC复合材料力学及烧蚀性能研究

以PZC为有机锆先驱体原材料,采用A,B,C三种PIP工艺路线制备了不同ZrC含量的C/Si C-ZrC复合材料,并对C/Si C-ZrC复合材料的组成、微观结构、力学性能、烧蚀性能及作用机理进行了测试和分析。结果表明,有机锆先驱体制备的C/Si C-ZrC复合材料烧蚀性能有大幅提高,但其力学性能却存在一定程度的下降,并且随着ZrC含量的增加,C/SiC复合材料的力学性能呈现出逐渐降低的趋势,其质量烧蚀率和线烧蚀率呈现出先减小后增大的趋势。     

碳纤维增强莫来石复合材料的制备与性能研究

为解决传统溶胶制备的碳纤维增强莫来石复合材料致密化效率低、制备周期长、性能不理想等缺陷,以碳纤维布叠层缝合预制件为增强体,以符合莫来石化学计量比的Al2O3-SiO2溶胶为原料,通过浸渍-干燥-热处理技术路线制备C/Mullite复合材料。研究了Al2O3-SiO2溶胶的烧结收缩与莫来石化行为,对复合材料工艺进行了初步优化,表征了氧乙炔焰烧蚀性能。所用Al2O3-SiO2溶胶的固含量30.7%,陶瓷产率18.3%,经1 300℃热处理后,莫来石化基本完成,且表现出明显的烧结收缩。形成了能避免碳纤维布分层开裂的复合工艺路线。获得了四点弯曲强度和断裂韧性分别为210.6 MPa,11.2 MPa·m1/2的C/Mullite复合材料。在氧乙炔焰烧蚀中,莫来石基体分解生成Al2O3和SiO2,在热流和机械冲刷作用下,大量SiO2流失,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.049g/s,0.12mm/s。     

短切炭纤维/酚醛树脂胶粘剂的配方研究

为确定最佳组分含量,采用正交实验法对“酚醛树脂(PF) 纳米S iO2粉 石墨粉 ZrO2粉 短切炭纤维”胶粘剂体系进行了配方研究,并探讨了组分含量对胶粘剂性能的影响。得到的最佳配方为“PF 2%纳米S iO2粉 1%石墨粉 1%ZrO2粉 4%短切炭纤维”,其对石墨材料的粘接强度达11.6 MPa,胶粘剂本体线烧蚀率为0.058 mm/s,质量烧蚀率为0.0732 g/s。胶粘剂可进一步用于粘接修复C/C复合材料喉衬构件的工艺缺陷。     

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。     

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。     

填充纤维及阻燃剂对EPDM绝热层耐烧蚀性能的影响

研究了填充纤维、阻燃剂种类及用量对EPDM绝热层耐烧蚀性能的影响。结果：当芳纶纤维的最佳填充量为5－8份，含磷阻燃剂的最佳用量为15－25份情况下，它们可显著提高EPDM绝热层的耐烧蚀性能。     

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。     

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。     

三维针刺C/C-SiC复合材料的烧蚀性能

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺,制备了三维针刺C/C-SiC复合材料,使用氧气流量和乙炔流量之比为2∶1的氧乙炔焰,研究了复合材料的烧蚀性能,烧蚀时间长达600 s;分别用扫描电镜和表面能谱,分析了烧蚀表面的形貌和成分。结果表明,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.004 3 mm/s和0.001 4 g/s。烧蚀表面不同区域微观形貌和烧蚀机理不同,烧蚀中心以基体氧化流失、C纤维的氧化以及气流冲刷为主;在过渡区域,烧蚀是以SiC基体的氧化和气流冲刷为主;烧蚀边缘则以SiC基体的热氧化为主。C/C-SiC复合材料在氧-乙炔条件下的烧蚀机制是热化学烧蚀、热物理烧蚀和机械冲刷的综合作用。     

陶瓷基复合材料在火箭发动机上的应用

综述了连续纤维增强陶瓷基防热结构复合材料的研究现状、航天应用及制备方法 ,包括 Zr C、Hf C、Ta C基耐烧蚀复合材料 ,Si C、Si3 N4基热结构复合材料 ,Al2 O3 、Zr O2 基绝热复合材料     

添加树脂碳对针刺C/C-SiC材料熔渗行为及性能的影响

以2.5D无纬布/网胎叠层针刺预制体为增强体，采用化学气相渗透和树脂浸渍裂解法制备了密度约1.35 g/cm³的热解碳C/C、热解碳+树脂碳C/C两种坯体，再经反应熔渗获得C/C-SiC复合材料，分析了不同碳基体组分C/C材料的熔渗特性及其微结构、拉伸性能及氧乙炔烧蚀性能的变化规律。结果表明：相比热解碳的“薄壳”型孔隙结构，树脂碳的“狭缝”型孔结构增大了液Si与碳基体的接触面积，提高了熔渗动力，获得致密度和SiC含量高的C/C-SiC复合材料，提升抗烧蚀性能，在氧乙炔火焰下经400～600 s烧蚀的线烧蚀率降低24%,但树脂碳对液Si的诱导渗透增加了骨架承载体的损伤，使树脂碳+热解碳基C/C-SiC复合材料室温拉伸强度(104±3)MPa低于热解碳基C/C-SiC的(118±3)MPa。     

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。     

有机阻燃剂对UPR包覆材料耐烧蚀性能的影响及分析

选取有机磷系阻燃剂A、氮系阻燃剂B和三聚氰胺C、卤系阻燃荆十溴联苯醚D,利用田口方法的望小特征系统研究了有机阻燃剂对UPR包覆材料耐烧蚀性能的影响,得到最佳配比为A:B:C:D=8:24:24:24,其中阻燃剂D对UPR线烧蚀率的影响最为显著.通过对烧蚀成炭层进行形貌分析,探讨了有机阻燃剂改性UPR包覆层的耐烧蚀特征;并结合阻燃剂/UPR复合材料的TG-DTG分析,探索了不同阻燃荆对改性UPR包覆材料耐烧蚀性能的作用机理.结果表明,磷系阻燃剂能促进UPR材料成炭,氮系阻燃剂通过气化作用保护UPR基体,卤系阻燃剂具有一定的气相阻燃和固相促进成炭作用.     

C/C-B-SiC复合材料的烧蚀性能研究

采用聚合物浸渗裂解法制备了C/C-B-S iC复合材料,用H2-O2焰法对其烧蚀性能进行了研究,并推测了C/C-B-S iC复合材料的烧蚀机理。结果表明,C/C-B-S iC复合材料的烧蚀率随材料密度ρ的增加呈下降趋势,ρ=1.50 g/cm3的C/C-B-S iC复合材料的线烧蚀率相当于ρ=1.86 g/cm3的C/C复合材料的61%,烧蚀时间为60 s时的质量烧蚀率相当于ρ=1.77 g/cm3的C/C复合材料。C/C-B-S iC复合材料在H2-O2焰条件下的烧蚀机制是热化学烧蚀(氧化和升华)和机械冲刷的综合作用。     

苯基硅橡胶/硅氮陶瓷前驱体复合绝热层烧蚀机理

采用甲基苯基聚硅氧烷(PMPS)与聚硅氮烷PNS-3为复合基体,气相法白炭黑和炭纤维为填充材料,制备了有机硅耐烧蚀复合材料,并采用氧乙炔焰烧蚀实验的方法研究了材料的烧蚀性能。在对烧蚀后的材料形貌SEM分析和采用XRD、FT-IR、EDS等方法进行了成分分析的基础上,发现加入聚硅氮烷后,苯基硅橡胶的烧蚀行为发生了变化,提出了氧化层、成炭层、陶瓷层、裂解层和基体五区域的新烧蚀模型,并对烧蚀机理进行了初步探讨。研究表明,绝热层在烧蚀过程中,氧化层主要组分是Si O2,起到隔绝氧化性气氛渗入的作用;氧化层下是新生成的耐高温、耐氧化的Si C陶瓷;成炭层坚硬致密起到了热防护的作用。     

纳米炭黑对酚醛树脂烧蚀防热性能的影响

以纳米炭黑改性酚醛树脂，研究不同的纳米炭黑含量对酚醛树脂烧蚀性能和热解性能的影响。采用透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)对纳米炭黑粒子的分布进行表征，采用扫描电子显微镜观察复合材料烧蚀界面、X射线衍射表征复合材料烧蚀后炭化层的结构，采用热分析法（TGA和VTC)研究复合材料热解性能和热解动力学。研究结果表明，纳米炭黑粒子均匀分散于酚醛树脂中，使酚醛树脂的烧蚀性能得以提高；纳米炭黑对酚醛树脂热分解具有催化作用。