有机硅基耐烧蚀材料的研究

基础研究 有机硅材料。2001. 15 (5): 12一14SILICONE MAI'ERIAL 有机硅基耐烧蚀材料的研究 邹德荣 (中国航天科技集团上海航天技术研究院第81M所，浙江湖州313002) 摘要:以室温硫化硅棣胶为基材，未用联二样、芳纶纤维作为配合别制成了固体火箭发动机用衬烧性 材料。讨论了联二膝和芳绘对材料烧独率和机械性能的影响。结果表明，联二裸、芳纶纤维单独和混合使 用都能够降低烧仕材料的烧蚀率、当以7.5刃.5的比例泥合使用时，能够获得最低的烧饮率 (线烧饮率和 质圣烧性丰分别为0.146 mm/s和0.153 g/s)。由于联二服、芳纶纤维与宝沮硫化硅律胶的相容性较差，材 料的机械性能有所下降。 关健词:固体火箭发动机，烧性材料.有机硅，联二服，芳纶 烧蚀材料是固体火箭发动机和推进剂药柱的 重要组成部分，它比耐热材料 (一般指200℃下 能够长期起保护作用的材料)更能承受高温和苛 刻条件的影响。由于火箭推进剂燃烧产生的高温 火焰和燃气流的温度，远远超出高温合金所能承 受的温度 (一般固体复合推进剂的燃烧温度超过 3 000 t: );所以，金属应用于此场合很快就被 熔化、烧毁，影响航天器的安全可靠性。而使用 烧蚀材料则可以防止推进剂燃烧产生的高温火焰 和燃气烧坏燃烧室壳体，防止环境过热而降低壳 体强度、危及结构的完整性;同时，还能缓冲壳 体与推进剂药柱之间的应力传递，对于纤维缠绕 壳体能起到密封作用。此外，烧蚀材料作为发动 机的组成部分，应能承受发动机在浇注、固化、 贮存、运输、飞行和工作过程中所引起的各种应 力作用，尤其在飞行和工作过程中需承受若干个 重力加速度的作用以及高频振荡。因此，一般烧 蚀材料都具有较好的耐烧蚀性能及良好的机械性 能[1-41 烧蚀材料主要以橡胶等弹性材料作为基材， 再添加多种耐烧蚀配合剂制成。本文以室温硫化 (RTV)硅橡胶为基材，以联二脉 (LDA)和芳 纶纤维 (Kevlar)为配合剂，制成了烧蚀材料， 探索烧蚀材料配方的最佳配比。 究院;Kevlar:工业级，东华大学。 12 试样制作 将LDA和Kevl、先在120℃烘4 h, LDA 过200目筛。然后将各组分称量后混合，手工搅 拌均匀，真空脱气。将配制好的料浆在常温常压 状态下，浇注成直径为30 mm,厚 10 mm及2 rnrn的试片。抽真空除去气饱;试片在20℃下 固化48 ho 1.3 性能测试 烧蚀性能以烧蚀率表征，烧蚀率按国军标 GJB 323 - 1996测试，氧气压力为0. 4 MPa，乙 炔压力为0.095 MPa，气流标准热流量4186.8 kW/m' +418.68 kW/m2喷嘴直径2 mm，烧 蚀距离10 mm,烧蚀时间lo s，由中国航天科技 集团上海航天技术研究院第810所测试。 机械性能以拉伸强度和伸长率表征，拉伸强 度、伸长率按标准GB/r 528一1992测试，裁成 19铃状，拉伸速度100 mm/min,测试温度20 ℃。测试设备是德国的instron 4505型电子式材 料拉伸机。 2 结果与讨论 2.1 LDA/ Kevl、对有机硅烧蚀材料烧蚀性能 的影响 1 实验 1.1 原料及配方 室温硫化硅橡胶RTV一5:工业级，上海橡 胶制品研究所;LDA:工业级，洛阳黎明化工研 收摘LI期之2001一07一oz, 作者简介:邹德荣 (1%9 火筋发动机用扁分子材料。 男，巨程师，主要研究固体 万方数据 第5期 邹德荣.有机硅基耐烧蚀材料的研究 LDA和Kevlar的配比对有机硅基烧蚀材料 的性能影响见表10 表1 LD.A和Kevla下配比对有机硅基烧蚀材料的性能影响 _ _ LDA Kevlar 线烧蚀率 质量烧蚀 拉伸强度 断裂伸长 2TH 亏 . _ 二 /g /g /mnrs-’ 早奄.s’ /MYa q"/"6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.523 0.461? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.250.5 。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?:一 0 5 7.5 10 0.512 0.456 0.401 0.356 0.312 0.403 0.324 0.286 0.231 0.146 0.223 由表1可知，LDA, Kevlar单独使用时，随 着用量的增加，线烧蚀率和质量烧蚀率逐步降 低。混合使用时，随着用量的增加，烧蚀率同样 逐步降低，降低的幅度远远大于LDA或Kevlar 单独使用时，并随着配比的变化，烧蚀率降低， 出现一个最低点。烧蚀过程中推进剂燃烧产生的 高温传递到烧蚀材料表面，烧蚀材料吸收大量的 热能，温度上升 (此时热扩散小于热积累);达 到一定程度即熔融、分解，同时也发生了复杂的 物理化学变化，进而生成多孔的炭化层。与此同 时，分解析出的低分子气体吸收热量并以反方向 运动带走热量 (即所谓的发汗冷却)。随着过程 的进行，炭化层增厚，分解速度降低，发汗速度 也下降。由于表面热传导、热辐射的继续，炭化 层不断加厚;当加热表面的内移速度等于炭化层 与原始材料交界面的内移速度时，即呈现稳定的 结炭状态。因此，降低烧蚀率必须使烧蚀材料在 高温烧蚀时能保持稳定的炭化层，稳定的炭化层 的形成需要能够保护炭化层的炭化剂和增强、稳 定炭化层的增强剂。LDA在高温下吸热分解， 放出氮气，能促进泡沫炭保护层的形成，有效地 保护制品进一步燃烧;同时，分解产物可以形成 一系列酸 (如HN0L, HN(1y),促使有机硅烧蚀 材料进一步脱水炭化。HN0Z, HN03的分解产 物在气相中可以作为自由基终止剂，干扰燃烧 链，以阻止燃烧的延续。Kevlar是对苯二甲酞氯 和对苯二胺缩聚得到的芳香族酞胺，具有耐高 温、分解温度高、炭化层容易吸附在纤维周围等 特点，是良好的增强剂。使用LDA能够形成保 护炭化层的炭化剂，Kevlar可以增强、稳定炭化 层。二者单独使用时，虽能降低烧蚀率，但是降 低的幅度小;当两者混合使用时，LDA "l以保 护炭化层，Kcvlar可以增强和稳定炭化层，当一 者的配比达到7.5/0.5时，获得的烧蚀率最低 2.2 LDA/ Kevlar对有机硅烧蚀材料机械性能 的影响 由表1可知，LDA, Kevlar单独使用时，随 着用量的增加，其烧蚀材料的断裂伸长率和拉伸 强度逐步降低，而添加Kevla:的下降趋势较大。 混合使用时。随着LDA用量的增加，断裂伸长 率和拉伸强度也呈下降趋势。Kevla:是有机纤 维，表面光滑，无法直接与硅橡胶形成良好的吸 附等作用，从试片的断裂面可以明显地看出，断 面非常不平整，有纤维伸出;显然，Kevlar纤维 对硅橡胶材料的原有结构有所破坏，导致机械性 能降低。LDA是一种粉态填料，表面活性比较 差，不是高效的补强剂;但由于LDA分f结构 中存在一定量的孤对电子和空轨道，能够与硅橡 胶形成一定数量的氢键等次价力的作用。因此， 添加LDA后，断裂伸长率和拉伸强度虽然降低， 万方数据 第 15苍 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 但降低幅度较小。 参 考 文 献 3 结论 在RTV硅橡胶中添加LDA/Kevlar，可以降 低材料的线烧蚀率和质量烧蚀率，提高耐烧蚀性 能，但材料的机械性能 (断裂伸长率和拉伸强 度)有所降低;因此有必要对LDA/Kevlar进行 表面处理，以确保填料与RTV硅橡胶的相容性 良好。 thto G. Sch.ffli.g slid -ket motor. US 3 965 676. 1976 G,lid } ket motor internal insulator NASA SI，一8093 USA. 1976 王铮.固体火箭发动机绝热层分析和 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 .推进技 术，1985 (1): 41 张景春.固体推进剂化学及工艺学.长沙:中国人 民解放军国防科技大学出版杜，1986. 250 Study on Property of Silicone一based Ablation Resistant Material Zoo Derong (No. 806 Institute qJ' SAST，PO Boz一 51，Huzhou，Zhejiang 313002) Abstracts: RTV rubber was used as basic material in the preparation of ablation material for solid rocket motor. LDA/ Kevlar were added to the ablation material厂】he ablation rate and mechanical property of the material were tested. The results showed that LDA/ Kevlar could decrease the ablation rate of the ablative material. The lowest ablation rate was made when bakelite/ asbestine were added together in a cer- tain proportion. The mechanical properties decreased because of the bad compatibility between RTV rubber and filler. Keywords: solid rocket motor, ablation material, silicone, LDA，Kevlar 己产令老佗、乡二吧布\少石、乡二吧布吧产言之产二嗯产石吧‘、少二吧产;义夕卜乡二吧布吧产;吧布嗯布吧‘吧尸二吧石 竺芍吧 .健 .吧布吧 .嗯 .之布嗯心吧夕嗯佗健汾三望汽吧 .嗯产 .之‘吧石吧洲;吧布吧 .泛 国外信息 Wacker有机硅扩建项目 欧盟批准了德国政府提供 1.19亿欧元 (合 1.04亿美元)的援助，以使Wacker公司用于重 组和扩建Niienchritz有机硅厂，Wacker目前正 投资4亿欧元用于该项目中，以使其硅氧烷的生 产能力到2004年达到90 kt/ao Chem Week, 2001，163 (21): 21 橡胶用硅烷偶联剂 日本信越公司开发的KBE - 846是分子中含 有多硫化物，能在填料表面和聚合物之间偶合成 键的硅烷偶联剂，可大大提高橡胶的断裂伸长 率、模量、撕裂强度、回弹性、压缩永久变形、 耐磨性等物理性能。该产品为褐色透明液体，粘 度 (25℃)为7一13 mmZ /s，相对密度 (25℃) 1.075一1.105, n苔1.48。一1.495，有效成分 100960 i1) :2一二二一x , 2001, 86: 4 第1届欧洲硅节在德国召开 第1届欧洲硅节于2001年9月6-7日在德 国慕尼黑顺利召开，会议由Wacke:公司主办， 参会代表550人，世界几大有机硅公司如lbw Corning, Degussa, GE. Payer Silicones, Golds Chmidt. Crompton, Rhodia Silicones均参加了此 次会议，会议共有50篇大会 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 和140篇墙报。 (周勤) 万方数据