耐烧蚀硅橡胶基复合材料的制备及性能研究

摘要

随着固体火箭技术的发展，对发动机燃烧室及补燃室壳体的热防护要求也越来越苛刻，特别是补燃室中的富氧环境会使碳骨架绝热材料烧蚀率增大。硅橡胶(SR)复合材料在烧蚀过程中可形成类陶瓷炭化层，耐氧化和抗冲刷性好，因此，近年来受到了广泛关注。本文以高温硫化硅橡胶为基体，从硅橡胶基础配方入手，通过添加单相或复相填料，制备了耐烧蚀硅橡胶基复合材料，主要研究了复合材料力学性能、热稳定性和烧蚀性能，具体研究内容及结果详述如下： 分析了甲基乙烯基硅橡胶(MVS)和甲基苯基乙烯基硅橡胶(MPVS)在氮气和空气气氛下的热分解行为，并考察不同硅橡胶比例、气相SiO2以及酚醛纤维用量对硅橡胶基胶拉伸性能和烧蚀速率的影响，确定硅橡胶最合适基础配方。 通过溶液插层法制备了有机蒙脱土(MMT)母胶，并由此制备了MMT/SR复合材料，MMT含量对复合材料拉伸性能影响较小。MMT的加入，降低了复合材料初始分解温度，但提高了最大分解温度。研究发现，MMT/SR复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率随MMT含量增加先降低后升高，填充10 phr MMT的复合材料线烧蚀率最低，相比基胶降低22.5%。炭化层表面存在烧结现象，断面中裂纹尺寸减小但存在较多孔洞。二维片状MMT和形成的高温黏合剂提供了屏障效应，减缓了热解气体的逸出，造成炭化反应层中气体的累积。在炭化层中未发现MMT基面衍射峰，片层主要成无序分布。 采用氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)和曲拉通X-100(Triton X-100)对石墨纳米片(GnP)进行表面处理，发现VTMS处理后GnP/MVS综合性能较好。将VTMS改性的GnP作为第二功能相添加到10 phr MMT/SR体系中，会使复合材料断裂伸长率急剧下降，但仍然在300%以上。热失重分析表明，加入GnP后，在氮气气氛下复合材料的初始分解温度提高了近40℃，并且促进炭化反应的进行，形成了更多碳质残渣，但对空气气氛下热解行为影响较小。对比10 phr MMT/SR材料，填充4 phr GnP后，线烧蚀率和质量烧蚀率分别降低了38.7%和26.7%。复合材料炭化层表面比较致密，但随着GnP含量增加出现了较大微观裂纹。炭化层断面中未出现大尺寸裂纹，并且发现大量纳米线结构，纳米线以不同形式从局部上维持炭化层的强度，提高了耐氧化抗冲刷能力。其中纳米线主要为核壳结构，中间晶体结构为立方β-SiC，外部壳为非晶态SiO2层，生长机理为典型气固生长，GnP在纳米线生长中起到碳源和活性模板剂的作用。 采用VTMS改性的SiC晶须(SiCw)为第二相填料，制备了SiCw/MMT/SR复合材料，SiCw明显提高了复合材料的拉伸强度，并且断裂伸长率只略有下降。加入SiCw后也能有效降低10 phr MMT/SR体系的烧蚀速率，当SiCw含量为6 phr时，线烧蚀率和质量烧蚀率分别降低47.3%和45.2%。在高温时，SiCw氧化产生SiO2熔融层进一步起到粘合作用，复合材料炭化层表面和断面都比较致密。SiCw含量较低时，断面中存在大尺寸微观裂纹，但并未贯穿炭化层。随后，炭化层中大尺寸微观裂纹减少直至消失，并且出现了新的纳米线结构，纳米线连同保留的晶须在炭化层中进一步起到微骨架和桥连作用。纳米线外端未发现融滴， SiCw中存在的氧化物杂质催化了纳米线的生长，生长机理从气液固向气固转化。

目录

缩略语表

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 烧蚀材料及分类

1.3 柔性烧蚀材料

1.4 硅橡胶烧蚀材料陶瓷化研究进展

1.5 本课题研究的目的和意义

1.6 本课题研究的主要内容

第2章 硅橡胶基础配方设计与研究

2.1 实验原料与设备

2.2 硅橡胶复合材料的制备

2.3 测试与表征

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第3章 蒙脱土/硅橡胶复合材料的制备及性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 测试与表征

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 石墨纳米片对蒙脱土/硅橡胶复合材料性能的影响

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 测试与表征

4.4 GnP表面改性及对MVS性能的影响

4.5 GnP/MMT/SR烧蚀材料性能分析

4.6 本章小结

第5章 SiC晶须对蒙脱土/硅橡胶复合材料性能的影响

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 测试与表征

5.4 结果与讨论

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

博士期间的研究成果