耐高温抗烧蚀可陶瓷化三元乙丙橡胶的制备与性能研究

摘要

可陶瓷化聚合物基复合材料是一种新型的耐高温抗烧蚀热防护材料。这种材料与传统的烧蚀材料不同，在高温热氧环境下，可陶瓷化功能填料可以和聚合物基体发生陶瓷化反应，在聚合物材料表面生成一层耐高温的陶瓷层，同时聚合物基体还能保持一定的强度，结构和尺寸基本稳定。这种陶瓷化聚合物能有效的阻止热量在聚合物材料内部的传递，对内部材料起到隔热保护作用。加强对可陶瓷化聚合物基复合材料的研究，对于推动耐高温烧蚀材料的发展，提高热防护水平有重要作用。
　　本论文采用三元乙丙橡胶（EPDM）为聚合物基体，云母粉和硼化钛（TiB2）为陶瓷功能填料，低熔点玻璃料为助熔剂，通过直接共混改性制备耐高温可陶瓷化三元乙丙橡胶。
　　首先，对 EPDM基础配方中的补强剂（白炭黑）、增塑剂（石蜡油）以及硫化剂过氧化二异丙苯（DCP）用量对橡胶基体力学性能和硫化性能的影响进行了研究。通过万能试验机以及无转子硫化仪对不同组份的EPDM进行抗张强度、断裂伸长率和硫化曲线进行测试，研究发现当白炭黑的用量为30份，石蜡油的用量为5份，DCP的用量为4份时，EPDM橡胶基体既具有较高的拉伸强度、较大的断裂伸长率，同时还具有较好的硫化性能。加入陶瓷化填料云母粉和TiB2后，EPDM的力学性能随着填料添加量的加大而增加，当用量为60wt％时，EPDM的力学性能降低，同时通过质量烧蚀率的分析，发现云母粉和TiB2的加入可以降低复合材料的质量烧蚀率，提高EPDM的耐烧蚀性能。随着陶瓷填料用量的增加，橡胶基体的质量烧蚀率也是在逐渐降低的。综合考虑后，陶瓷粉的最佳用量为40wt%。
　　通过热失重分析（TGA）表征EPDM的热分解性能，采用场发射扫描电镜（SEM）、EDS能谱、X荧光光谱、X射线衍射分析（XRD）、红外光谱，对TiB2-云母粉/EPDM复合材料在不同温度（600℃、800℃、1000℃、1200℃）段下烧蚀后的产物进行表征分析。研究发现高温下，EPDM的分解主要是碳链的裂解，同时有在高温热氧环境下，陶瓷填料可以和聚合物基体反应生成陶瓷层结构，TiB2-云母粉/EPDM复合材料在高温烧蚀后形成了以无定型碳为基体骨架结构，难熔SiO2、Al2O3和TiO2粒子为增强相，熔融的K2O、Na2O、B2O3为玻璃相的陶瓷基复合材料。
　　加入低熔点玻璃粉作为液相补偿剂，可以降 TiB2-云母粉/EPDM复合材料发生可陶瓷化反应的温度，提高橡胶基体的力学性能。文中采用了三种玻璃料，A、B、C。通过对低熔点玻璃料-TiB2-云母粉/EPDM复合材料拉伸强度、断裂伸长率以及硫化曲线的测定，发现玻璃料的添加可以提高EPDM的拉伸强度，缩短硫化时间。通过SEM、EDS能谱、XRD对高温烧蚀产物的微观结构表征，发现低熔点玻璃料的添加可以提高 TiB2-云母粉/EPDM在高温烧蚀中陶瓷层的致密性，提高烧结性能，起到了液相补偿作用。

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第一章 绪论

1.1 三元乙丙橡胶

1.2云母粉

1.3 可瓷化高分子材料

1.4课题研究意义

1.5研究内容

第二章 EPDM可陶瓷化材料基础配方研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 可陶瓷化TiB2-云母粉/EPDM的制备

2.4 试验测试及表征

2.5 实验结果及分析

2.6 小结

第三章 EPDM热分解及陶瓷化机理研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 耐高温TiB2-云母粉/EPDM可陶瓷化材料的制备

3.4 实验测试及表征

3.5 实验结果与讨论

3.6陶瓷化机理分析

3.7 小结

第四章TiB2-云母粉/EPDM的陶瓷化性能改善研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 实验测试及表征

4.4实验结果与讨论

4.5 小结

第五章 结论

参考文献

致谢

附录