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。     

含能增塑剂对PBT弹性体微相分离及力学性能的影响

采用红外光谱(IR)、力学性能测试等方法研究了含能增塑剂丁基硝氧乙基硝胺(Bu-NENA)和双(2,2-二硝基丙基)缩甲醛/双(2,2-二硝基丙基)缩乙醛混合物(BDNPF/A,两者质量比为1∶1)对3,3-二叠氮甲基氧丁环/四氢呋喃共聚醚(PBT)弹性体微相分离和力学性能的影响。结果表明,Bu-NENA对PBT弹性体的微相分离影响较大,随增塑比的增大,游离羰基比例提高,同时有序氢键化羰基比例显著减小,增塑比为1.0时有序氢键化羰基比例几乎为0,导致弹性体抗拉强度显著降低;BDNPF/A对PBT弹性体的微相分离特性则没有明显影响。两种含能增塑剂复配时,随着复配增塑剂中BDNPF/A比例的增加,弹性体的抗拉强度随之增大。     

预分散酚醛中空微球对三元乙丙橡胶绝热层性能的影响及梯度化绝热层的研究

分别制备了预分散酚醛中空微球填充三元乙丙橡胶绝热层和梯度化三元乙丙橡胶绝热层,旨在开发低密度的新型高性能绝热材料。扫描电镜观察表明,预分散酚醛中空微球能完好、均匀地分散于三元乙丙橡胶基体中。由于酚醛中空微球具有很低的粒子密度和高的热阻性能,随预分散酚醛中空微球含量的增加,绝热层的密度、热导率和热扩散率显著降低,同时绝热层的比热容明显增大,表现出优异的绝热性能。与芳砜纶浆粕填充三元乙丙橡胶绝热层、酚醛中空微球填充三元乙丙橡胶绝热层相比,梯度化三元乙丙橡胶绝热层具有优异的绝热性能和耐烧蚀性能,同时又具有很低的密度,将在火箭发动机上具有广阔的应用前景。     

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。     

PBT/增塑剂共混物相容性的介观动力学模拟

用分子动力学(MD)和介观动力学(MesoDyn)法模拟研究了粘合剂3,3-二叠氮甲基氧丁环-四氢呋喃共聚醚(PBT)与A3[双(2,2-二硝基丙醇缩甲醛(A2)与双(2,2-二硝基丙醇)缩乙醛(A1)质量比1∶1混合物]、端叠氮基聚叠氮缩水甘油醚(GAPA)等不同增塑剂组成的共混体系的溶度参数和共混物分子间的Flory-Huggins作用参数,预测了共混物的相容性和介观形貌。结果表明:室温下PBT/A3共混体系,增塑比为1.4时体系的相容性最好;对增塑比为1.2的PBT/A3/GAPA共混物,PBT/A3/GAPA配比为10/2/10体系的相容性最好。     

高耐热型填料改性EPDM绝热层性能研究

以三元乙丙橡胶(EPDM)为基体,中空聚酰亚胺纤维为耐热型纤维,分别从低密度高成炭、高耐热以及分子链催化成炭三方面出发,通过机械共混法制备了酚醛空心微球(HPM)、聚酰亚胺树脂(PIR)以及含不饱和双键环磷腈衍生物(CPD)复合的EPDM绝热层,并对这三种绝热层进行了硫化性能、力学性能、与金属界面粘接性能以及耐烧蚀性能...     

高分子增塑剂对EPDM绝热层性能影响研究

为有效降低三元乙丙(EPDM)绝热材料中小分子挥发物含量,研究了液体EPDM(LEPDM)、液体低分子聚丁二烯(LPB)、液体低分子聚异戊二烯(LIR)、液体丁腈橡胶(LNBR)和液体端羟基聚丁二烯(LHTPB)等高分子增塑剂对EPDM绝热层门尼粘度、力学性能、烧蚀性能、老化性能、可挥发分含量和界面粘接性能的影响规律,并与传统橡胶增塑剂液体石蜡进行对比。结果表明,相比传统增塑剂LPO,高分子增塑剂制备EPDM绝热材料挥发分含量显著降低,其中LIR、LEPDM和HTPB三种高分子增塑剂制备绝热材料挥发分含量最低;同时,其玻璃化转变温度升高,断裂伸长率降低,线烧蚀率降低,门尼粘度和抗拉强度基本相当;除LEPDM外其他高分子增塑剂制备绝热材料的EPDM_生/EPDM_熟界面粘接强度明显下降; EPDM/铝和EPDM_生/EPDM_生界面粘接强度及70℃热老化性能基本相当。     

两相环境下EPDM绝热层多因素耦合烧蚀预估

为保证发动机能在恶劣的环境中运行,在绝热层的设计中,绝热层的厚度将直接影响着发动机结构的稳定性,而绝热层的烧蚀预估对于绝热层厚度的合理设计非常重要。为解决固体火箭发动机三元乙丙橡胶(EPDM)绝热层烧蚀性能工程预估问题,结合固体火箭发动机内两相流动的环境特点,以热化学烧蚀三方程模型和扩散化学动力学双控制机制为基本数学模型,以炭化层表面孔隙率为耦合参数,并综合考虑气流和粒子的侵蚀效应,建立了绝热层多因素耦合烧蚀模型的控制方程。通过对控制方程的隐式求解和对绝热层温度分布以及烧蚀线、炭化线、热解线位置的综合分析,获得了两相环境下EPDM绝热层的理论炭化烧蚀率。所得烧蚀率与实验结果对比,误差小于10%,表明给出的烧蚀预估方法可用于固体火箭发动机两相环境下EPDM绝热层烧蚀工程分析。     

不同橡胶基绝热材料性能对比分析

分别对以硅橡胶(SiR)、丁异戊橡胶(BIR)、丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)为基体的绝热材料力学性能、密度、烧蚀性能、热性能进行了研究,并对其烧蚀后试样表面和剖面的微观形貌进行了分析。结果表明,SiR绝热材料烧蚀后形成坚硬、致密的瓷化层,抗烧蚀性能好,且热稳定性能良好,但力学性能较差; BIR绝热材料烧蚀性能较好,综合性能优; NBR绝热材料密度高且炭层疏松; EPDM绝热材料密度低,力学性能优异,但炭层易剥离,烧蚀性能差。     

富氧环境下绝热层烧蚀模型

采用模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境的试验系统,测试了几种绝热层材料不同氧含量环境下的烧蚀特性。烧蚀过程中燃气中的氧化性组分会渗入炭化层内部,在炭化层内的孔隙中与材料发生放热的化学反应,大量消耗碳,加剧了烧蚀的过程。通过试验结果分析,建立了以基体层、热解层、炭化层为基础的富氧烧蚀模型。应用该模型预估了试验所用绝热层材料的烧蚀率,计算值与试验值较为一致。     

PBT基少烟推进剂配方性能研究

针对固体火箭发动机用高能量、低特征信号推进剂发展需求,以3,3-二叠氮甲基氧丁烷与四氢呋喃共聚醚(PBT)为粘合剂、双(2,2-二硝基丙醇)缩甲醛和双(2,2-二硝基丙醇)缩乙醛等质量比的混合物(A3)为增塑剂,采用降低推进剂配方中铝粉(Al)含量、用奥克托金(HMX)部分取代氧化剂等方式,开展了PBT基少烟推进剂配方工艺性能、力学性能、燃烧性能、烟雾特性以及能量性能研究。结果表明,PBT少烟推进剂的药浆粘度低、工艺性能良好,当固化参数为1.30,键合剂用量为0.30%时,推进剂的高温抗拉强度为0.511 MPa,常温、高温、低温伸长率均大于40%,推进剂在3～11 MPa的静态燃速压强指数为0.408,可见光透过率、红外透过率和激光透过率均大于70%,6.86 MPa下实测比冲为250.4 s,比冲效率为95.9%。     

三元乙丙橡胶绝热层老化性能试验研究

为了准确获得某固体火箭发动机燃烧室三元乙丙橡胶绝热层长期常温库房贮存的老化情况,分析总结绝热层的老化规律,准确预估出绝热层使用寿命,通过加速热老化试验方法,测定了不同试验温度和周期内绝热层的拉伸强度、延伸率、粘接强度、硬度等力学性能数据.研究发现拉伸强度、粘接强度、硬度随加速热老化时间、温度变化不大;而不同温度下的绝热层延伸率随着不同老化周期有不同的变化趋势.对加速热老化试验的延伸率进行多点外推(寿命方程)处理,结果表明在20℃下该绝热层回归值的95%置 信下限对应贮存期下限为17.69年.     

航天发动机用的低密度绝热层的研制

业已公认,减轻航天发动机的消极重量是十分必要的。其中的一项措施是研制和应用先进的复合材料发动机壳体,如计划于八十年代初期发射的MAGE欧洲远地点发动机所做的那样。但是,通过降低壳体内绝热层材料密度,还可以进一步降低发动机消极重量。由于认识到了这样做的必要性,从而开展了本文所述的新型低密度橡胶复合材料的研制工作。这些橡胶材料,大体上都以三元乙丙橡胶(EPDM)为基体,以石棉为填料,以过氧化物为固化剂,适用于装丁羧推进剂和丁羟推进剂的发动机。所述的研制计划除研究了配方技术,调整热性能、烧蚀性能和力学性能以满足发动机要求外,还研究了加工工艺的最佳化,包括易于固化以及和壳体推进剂的粘接性能。     

JH103胶粘剂后硫化粘接EPDM/石棉绝热材料与金属的试验研究

本文介绍了使用JH103胶粘剂后硫化粘接三元乙丙橡胶绝热材料与金属的试验研究结果.研究表明,橡胶组成及其力学性能、表面特性和胶粘剂性能及粘接工艺等因素,对EPDM-金属后硫化粘接性能有明显影响.适宜的表面制备技术和工艺条件,可使JH103胶粘剂粘接的EPDM/石棉-金属接头显示理想的胶裂破坏,获得比硫化粘接更稳定、耐久的接头,应用于固体发动机内绝热层制造,可望提高发动机寿命和可靠性.     

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。     

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。     

多相流环境下绝热材料烧蚀试验方法研究

为深入了解高温多相流环境中绝热材料烧蚀规律，以氧-煤油烧蚀试验系统为基础，采用氧化硼(B2O3)粉末为添加粒子，发展了一种用于绝热材料烧蚀性能测试的新方法，并进行了验证测试。结果表明：氧-煤油烧蚀试验系统的温度为500~2700 K，射流速度为200~1500 m/s，可通过调整燃烧室压力、烧蚀距离和粒子浓度等参数适应各种烧蚀工况；B2O3颗粒在高温射流中发生熔化、蒸发等相变，可用于模拟火箭发动机中的凝聚相粒子；验证试验中绝热材料的烧蚀率和烧蚀规律与其他多相流烧蚀试验结果相近。结果证明该装置可用于开展多相流环境下绝热材料烧蚀试验研究。     

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。     

C/SiC材料主被动氧化烧蚀机理及计算方法研究

基于热化学平衡方法建立了任意比例C/SiC材料的主被动氧化烧蚀模型，开展了C/SiC材料氧化烧蚀机理的计算研究，并基于典型材料烧蚀试验结果进行了充分验证。计算结果表明，C/SiC材料的氧化烧蚀特性取决于表面温度、氧分压以及组分等因素，可能会出现主动氧化和被动氧化两种破坏机制，目前的烧蚀模型能够预测出任意比例C/SiC材料两种氧化烧蚀机制的转换过程；SiC含量对C/SiC材料的氧化烧蚀特性有明显的影响，随着SiC含量的提升，主/被动氧化转换临界分压会减小，材料的抗氧化性能越好；但当材料均处于主动氧化阶段时，SiC含量越高材料的无量纲烧蚀速率越大，材料的抗烧蚀性能减弱。     

钝感GAP微烟推进剂的能量性能计算

根据推进剂配方理论计算程序计算了含N-脒基脲二硝酰胺(FOX-12)、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)、三氨基三硝基苯(TATB)、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、黑索今(RDX)、二硝酰胺铵(ADN)等高能钝感氧化剂及1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)、二缩三乙二醇二硝酸酯(TEGDN)、三羟甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)、N-丁基-2-硝酸酯乙基硝胺(Bu-NENA)等钝感增塑剂的几种单元推进剂和钝感微烟推进剂的能量性能。计算结果表明,所列的7种含能氧化剂中,由RDX和DNTF形成的单元推进剂的标准理论比冲分别为2 696.4 N.s/kg和2 610.2 N.s/kg,明显优于其他几种氧化剂。当采用DNTF部分取代GAP推进剂中的RDX或ADN后,推进剂的理论比冲、密度和特征速度相应提高。由于DNTF的感度低于RDX,因此DNTF引入推进剂中,对提高钝感GAP微烟推进剂的能量性能是有益的。