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。     

颗粒冲刷条件下三元乙丙绝热材料烧蚀特性实验

为了研究三元乙丙基础配方、抗过载配方、无SiO2配方和无纤维配方等不同配方绝热材料在颗粒冲刷条件下的烧蚀特性和机理,基于高过载地面模拟试验发动机,开展了烧蚀试验研究。分析了实验后绝热材料的表面以及断面形貌特征和宏观烧蚀率结果,探讨了三元乙丙基础配方和抗过载配方绝热材料炭化层中致密结构形成的机理,进行了不同配方材料的烧蚀模式和机理的分析。研究结果表明:相同颗粒冲刷条件下,不同配方三元乙丙材料烧蚀模式和破坏机理不同,烧蚀率从小到大依次为抗过载配方基础配方无SiO2配方无纤维配方;其中基础配方和抗过载配方三元乙丙材料在烧蚀过程中炭化层形成"致密/疏松"结构,表面形成的致密结构可以提高材料的抗烧蚀性能,无SiO2和无纤维三元乙丙材料以基体的粒状和块状剥落破坏为主;不同配方绝热层炭化层的形貌和结构与纤维、SiO2含量以及烧蚀环境密切相关。     

添加有机氟化物的固体复合推进剂对EPDM绝热材料烧蚀特性研究

分别在三组元、四组元固体复合推进剂的基础上制备了添加有机氟化物(OF)的高铝含量(18%)固体复合推进剂,利用高过载烧蚀模拟发动机考察了燃烧室压强为7MPa的条件下,上述推进剂对于三元乙丙橡胶绝(EPDM)热材料的烧蚀特性。结果表明,在OF为3%取代添加量的情况下,添加OF的推进剂配方相比于常规空白配方,对绝热材料的最大线烧蚀率可降低30%以上;对于四组元推进剂,含有OF的推进剂燃烧还能够有效抑制燃烧室的凝聚相沉积。实验通过分析推进剂的燃面特性、高过载烧蚀模拟发动机燃烧室沉积物组成、试验后绝热材料表面炭层结构、推进剂包覆材料表面沉积物形貌,探讨了配方中OF对于降低推进剂烧蚀特性的机理。分析认为,由于添加OF的推进剂燃烧能够形成粒径更小的凝聚相燃烧粒子,从而降低了它们在发动机流场中的动量,进而抑制其对于绝热材料的冲刷作用,致使烧蚀特性下降。     

稠密粒子流作用下三元乙丙绝热材料烧蚀性能分析

为研究稠密粒子流作用下三元乙丙绝热层材料TI117的烧蚀性能,采用基于地面模拟试验发动机完成了18发烧蚀试验。通过分析试验数据,认为针对TI117绝热材料存在一个粒子冲刷速度临界值vcri=28m/s,当粒子流速度小于vcri时,粒子流状态参数对绝热层炭化烧蚀影响较小,当粒子流速度大于vcri时绝热层烧蚀率随粒子冲刷速度的增加增幅较快,粒子冲刷角度的影响也显著。通过分析颗粒浓度、冲刷速度和角度等随烧蚀试验状态的变化规律,结合试验数据进行回归分析,给出了三元乙丙绝热材料TI117在两种冲刷状态下的烧蚀率工程预示模型。通过分析芳纶纤维铺设方向对TI117绝热层烧蚀的影响,认为两种铺设方向下烧蚀结果基本一致,严酷条件下芳纶纤维垂直铺设优于平行铺设。     

高温氧化铝液滴沉积条件下绝热材料烧蚀特性研究

为了研究三元乙丙绝热材料在高温氧化铝液滴沉积条件下的烧蚀特性,基于模拟沉积实验装置,开展了烧蚀实验研究。利用SEM与XRD等分析了烧蚀后炭化层断面形貌特征和化学组分分布,探讨了火箭发动机工作环境中氧化铝液滴与炭化层间热化学烧蚀的主要反应机理,确定了沉积条件下的化学反应方程式。研究结果表明:(1)高温氧化铝沉积条件下,三元乙丙绝热材料材料炭化层断面呈现“致密/疏松”的多孔结构;(2)推导并建立了固体火箭发动机高温高压环境中氧化铝与炭化层的七步热化学反应方程;(3)利用热力学软件分析可知,发动机工作条件下氧化铝与炭化层反应首先生成Al4C3,随着温度的升高继而生成Al单质与碳-氧-铝化合物Al2OC并释放出还原性CO气体。     

过载条件下不同配方体系绝热材料筛选及烧蚀特性

以国内某发动机在飞行过载下绝热层的异常烧蚀为研究背景,基于地面过载模拟装置,模拟了飞行过载条件下的颗粒冲刷状态参数,针对不同配方体系的绝热材料开展了筛选试验以及烧蚀特性研究,实验获得了三种材料的最大炭化烧蚀率和质量烧蚀率,筛选出了实验条件下抗颗粒冲刷能力较强的绝热材料,并针对实验后绝热材料的炭化层进行了电镜扫描分析,结合绝热材料配方开展了抗烧蚀特性分析。研究结果表明：（1）在实验条件下,材料B的炭化烧蚀率和质量烧蚀率均最大,材料A的居中,材料A1的最小,材料A1的抗颗粒冲刷性能最佳;（2）由于芳纶纤维的原位成炭特性,决定了三元乙丙/芳纶纤维体系绝热材料的炭化层具有一定结构强度,而恰当的纤维和SiO2含量将会增强绝热材料的抗烧蚀性能;（3）根据研究结果,建议在工艺允许的情况下,可以考虑研制同时采用芳纶纤维和石棉纤维的绝热材料体系,在针对颗粒冲刷条件时,炭化层内即有可以形成骨架结构的芳纶纤维,又可以利用石棉纤维在受热分解时SiO2和MgO熔融后和纤维以及基体之间的粘结交联效应。     

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。     

国外EPDM老化性能简介

三元乙丙(EPDM)绝热烧蚀材料是一种新型的柔性绝热烧蚀材料,它在固体火箭发动机上正在获得越来越多的应用.它可用作火箭发动机燃烧室内绝热层,也可用作火箭发动机喷管收敛段及火箭的外绝热层.老化性能是材料的主要性能指标之一.它决定材料使用寿命及使用这种材料的产品寿命.固体推进火箭发动机对绝热烧蚀材料提出了相当高的要求,为使三元乙丙柔性绝热烧蚀材料在固体火箭发动机上获得广泛的应用,有必要对EPDM的老化性能有一个充分的认识.本文基于这个目的,对国外在EPDM胶料的老化、固化体系的影响;卤素有机化合物、抗氧剂的影响;以及火箭发动机用绝热层的老化等方面的研究作简要介绍,以提高我们对EPDM柔性绝热烧蚀材料老化性能的了解.     

炭化层疏松/致密结构的三元乙丙烧蚀模型

分析了烧蚀发动机和高过载烧蚀发动机实验得到EPDM(三元乙丙)的炭化层结构,获得烧蚀过程炭化层结构形成变化的机理,建立了考虑疏松致密结构的多孔炭化层物理模型.模型中炭化层为非均质的多孔可渗透介质,孔隙内部存在气体扩散和热化学反应;炭化层中热解气体沉积效应形成致密结构.在多孔介质流动与传热算法基础上建立了模拟绝热材料烧蚀过程的数值方法,计算得到的炭化率、质量烧蚀率和炭化层的多孔结构与实验结果相吻合,证明了本烧蚀模型能够准确地描述绝热材料的热化学烧蚀过程,并为耦合烧蚀模型的建立提供数值算法基础.      

改性聚芳基乙炔树脂性能研究

通过添加改性剂得到了改性聚芳基乙炔树脂，对树脂和树脂固化物分别进行了差热扫描热分析(DSC)和热重分析(TG)。通过对复合材料的纤维单丝界面剪切强度和层间剪切强度测试，研究了树脂与碳纤维的界面结合性能，并对编织织物增强的改性聚芳基乙炔树脂基体复合材料进行了烧蚀试验。结果表明，改性聚芳基乙炔树脂固化放热减小，而基本不影响其树脂传递模塑(RTM)工艺性和耐高温性能，明显改善了与碳纤维的界面性能，复合材料的界面剪切强度提高了40％-50％，层间剪切强度提高了将近一倍；烧蚀性能与未改性树脂基本相当。     

一种可紫外光固化新型耐烧蚀涂料研究

基于巯基-乙烯基光引发逐步聚合机理,以含有乙烯基的液态硅氮烷预聚物与多元巯基化舍物为基体,辅以某种陶瓷微粉作为填料,研制了一种可紫外光固化的新型耐烧蚀涂料.采用等温差示光量热扫描(DPC)和测试固化度研究了填料添加量对紫外光固化放热行为和一次成型厚度的影响关系.结果表明:在制备0.5 mm厚的涂层时,填料添加量逐渐从0增至5%(质量分数,下同),固化放热峰值和放热量随添加量的增大而逐渐减小,且固化放热峰从尖锐逐渐趋于平坦,这是由于填料的加入使得涂料变为不透明,对入射的紫外光线产生了衍射/反射作用,从而减弱了辐照强度;填料添加量大于10%时,明显阻碍光固化反应的发生,涂层的一次成型厚度随填料添加量的增加而降低,可采用多次涂敷的措施解决涂层厚度不足的问题.当填料添加量从0增至20%,对于1.0 mm厚的涂层而言,在800℃质量保持率从61.2%增至73.5%.填料含量20%的涂层具有较为优异的耐烧蚀性能,氧-乙炔烧蚀的线烧蚀率为0.252 inm/s,质量烧蚀率为61.7 mg/s.     

硅橡胶/双酚A-苯胺型苯并噁嗪树脂耐烧蚀复合材料的制备与烧蚀结构的研究

苯并噁嗪树脂具有优异的成炭和抗高温氧化性能,是新一代的耐烧蚀树脂。以双酚A-苯胺型苯并噁嗪树脂为耐烧蚀树脂,采用1H-NMR、DSC和转矩流变仪研究其成环率和加工性能;以硅橡胶为耐烧蚀基体,采用熔融共混方法制备了硅橡胶苯并噁嗪树脂耐烧蚀复合材料。进行力学和氧乙炔焰烧蚀检测,利用FT-IR、Raman和SEM研究复合材料综合性能和烧蚀结构。结果表明:苯并噁嗪树脂能够明显提高硅橡胶复合材料的耐烧蚀性能,当树脂添加量为20份时,复合材料具有较好的耐烧蚀和力学性能;该复合材料经过氧乙炔焰烧蚀后,烧蚀层形成表面陶瓷层、裂解炭化层和基体层。表面陶瓷层主要由SiO_2,SiC和C组成,裂解炭化层的主要组由C,SiO_2,SiC以及炭化彻底的碳和炭化不完全的有机结构组成。     

三元乙丙橡胶绝热层在固体火箭发动机中的应用

从研制固体火箭发动机三元乙丙橡胶绝热层的实际情况出发,围绕三元乙丙橡胶绝热层的关键技术烧蚀和粘接性能的提高,着重分析了绝热层配方组分、粘贴工艺特点、烧蚀性能评价体系,提出了目前国内三元乙丙橡胶绝热层存在的问题及其发展方向.     

三种三元乙丙胶流变性能和硫化特性的分析与研究

本文采用孟山都加工性能测试仪和硫化测定仪,比较、分析了三种三元乙丙混炼胶的流变性能和硫化特性。结果表明:这三种三元乙丙混炼胶均表现为假塑性流体的流动特性,但是TER1的表观粘度对切速率比较敏感,对温度则不敏感,而TER2和TER3的表观粘度对温度比较敏感,对切速率则不敏感。同时发现,三种三元乙丙胶,温度和切速率对松驰膨胀的影响大致相同。本文还比较了三种三元乙丙混炼胶的硫化特性。实验表明,TER1和TER2的硫化特性相近,而TER3则与前两者相差较大。以上实验结果对于三元乙丙胶挤出成型和硫化工艺条件的选择具有重要的实际意义。     

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。     

微量Al 掺杂对2D C/ SiC 性能的影响

以二维编织碳纤维碳布为预制体,采用聚铝碳硅烷(PACS)为聚合物前驱体,应用化学气相渗透(CVI)结合聚合物浸渗-裂解(PIP)工艺制备微量Al掺杂2D C/SiC复合材料。研究微量Al掺杂对C/SiC微观结构、力学、热膨胀和氧-乙炔焰烧蚀性能的影响。结果表明:掺杂微量Al未改变C/SiC的微观结构和热膨胀性能,也未降低其韧性和强度;但微量Al掺杂提高了C/SiC的抗烧蚀性能,含微量Al的SiC氧化形成微量Al熔于SiO2的固熔体,微量Al提高了SiO2的黏度和致密度,减小SiO2挥发,较未掺杂Al的C/SiC相比,线烧蚀率降低了26%。     

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。     

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。     

耐低温无石棉绝热层研制

通过添加含卤-锑的阻燃剂、芳纶纤维和增塑剂,研制了一种耐低温无石棉的丁腈绝热层配方 (TI506)。研究了芳纶纤维和增塑剂对绝热层静态烧蚀性能和Tg 的影响,对绝热层材料力学性能、比热容、热 导率等性能进行了测试。结果表明:芳纶纤维浆粕用量为10 ~15 份、芳纶短纤维用量为4 ~6 份时,绝热层烧 蚀性能最佳,线烧蚀率达到45 μm/ s,所选增塑剂DOS 用量为10 份、DBP 或ATBC 用量为20 份时,Tg 可达- 40℃,芳纶纤维制备的丁腈绝热层力学性能及烧蚀性能优良,并满足固体火箭发动机耐-40 ~60℃的环境。     

三元乙丙橡胶内绝热层与纤维织物复合技术研究

研究了三元乙丙橡胶内绝热层分别与高硅氧纤维、芳纶纤维及碳纤维织物复合后绝热层的烧蚀性能.结果表明:绝热层与纤维织物复合可以提高绝热层的烧蚀性能;在这三种复合方法中,前两种织物分别铺设在绝热层表面的烧蚀性能优于将织物铺设在绝热层内部,后一种织物铺设在绝热层内部的烧蚀性能优于将织物铺设在绝热层表面;相比较而言,加入芳纶纤维织物绝热层的烧蚀性能最好,碳纤维织物绝热层的次之.高硅氧纤维织物绝热层的最差.