一種硅橡膠基耐燒蝕絕熱復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱防護(hù)特種復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種硅橡膠基耐燒蝕絕熱復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱防護(hù)系統(tǒng)是保證航天運載器安全、快捷、經(jīng)濟(jì)飛行的關(guān)鍵技術(shù)之一。航天器的熱防護(hù)包括表面的外熱防護(hù)和發(fā)動機(jī)內(nèi)部的內(nèi)熱防護(hù)兩個方面。固體火箭發(fā)動機(jī)的內(nèi)絕熱層是一種保護(hù)燃燒室殼體的彈性防熱材料，是放在殼體內(nèi)表面與推進(jìn)劑之間的絕熱防護(hù)材料，其主要功能是通過自身的不斷分解、燒蝕帶走大部分熱量以緩解高溫燃?xì)鉁囟认驓んw的傳遞速度，避免殼體達(dá)到危及其結(jié)構(gòu)完整性的溫度，保證發(fā)動機(jī)的正常工作。內(nèi)絕熱層通常采用隔熱性能良好的橡膠彈性材料，具有緩沖殼體和藥柱之間的應(yīng)力傳遞、密封等作用。耐燒蝕絕熱材料在燃燒室高溫?zé)g環(huán)境下形成炭化層、熱解層和基體層三層結(jié)構(gòu)。其中的炭化層直接承受熱化學(xué)燒蝕、氣流剝蝕和粒子侵蝕的共同作用，對保證絕熱材料耐燒蝕性能和保護(hù)發(fā)動機(jī)殼體起關(guān)鍵作用。顯然，炭化層的組成、微觀結(jié)構(gòu)和性能決定了絕熱材料的耐燒蝕性能，炭化層的微觀結(jié)構(gòu)也是絕熱材料燒蝕機(jī)理研宄的重點。如果絕熱復(fù)合材料在受熱或燃燒時能形成“堅實”的炭化層，殘?zhí)柯试礁?，炭化層越致密，炭化層與基體層的結(jié)合越牢固，則炭化層在燃?xì)饬骱土Ｗ記_刷作用下就越不容易被沖刷掉，材料的燒蝕率就越低，熱防護(hù)能力越高。
[0003]目前，應(yīng)用最為廣泛的絕熱材料是以三元乙丙橡膠為基體的橡膠耐燒蝕復(fù)合材料。但由于三元乙丙橡膠本身極性低，自黏和互黏性能差，在高溫和有氧的燒蝕環(huán)境下只能形成由純碳元素構(gòu)成的炭化層，難以形成致密而牢固的炭化層，抗氧化性較弱，耐燒蝕性能較差，使其應(yīng)用受到限制。硅橡膠是一種以一Si—O—為主鏈，其Si原子上可以連接甲基、乙烯基、苯基等有機(jī)側(cè)基，分子鏈兼具無機(jī)和有機(jī)性質(zhì)的高分子彈性體。硅橡膠基絕熱材料含有較高的Si和O元素，燒蝕條件下能生成抗氧化性強(qiáng)的耐高溫陶瓷和S12等物質(zhì)，很適合于沖壓發(fā)動機(jī)補(bǔ)燃室中的高溫富氧燒蝕環(huán)境。但硅橡膠的殘?zhí)柯实陀谌冶鹉z，且強(qiáng)度較低，難以形成致密的炭化層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種硅橡膠基耐燒蝕絕熱復(fù)合材料及其制備方法，目的是使硅橡膠在燒蝕過程中能夠形成致密、強(qiáng)度高的炭化層，增強(qiáng)其耐燒蝕性能和抗氧化性，使其能夠滿足未來航天器速度更快，有效載荷越高的要求。
[0005]本發(fā)明的硅橡膠基耐燒蝕絕熱復(fù)合材料，其成分由硅橡膠、耐燒蝕纖維、白炭黑、結(jié)構(gòu)化控制劑、陶瓷化粉、炭化物、偶聯(lián)劑和硫化劑組成，具體的質(zhì)量份數(shù)配比為:
娃橡膠:100質(zhì)量份；
白炭黑:10~80質(zhì)量份；
結(jié)構(gòu)化控制劑:0.5-10質(zhì)量份； 耐燒蝕纖維:5~30質(zhì)量份陶瓷化粉:5~50質(zhì)量份；
炭化物:1~30質(zhì)量份；
偶聯(lián)劑:2~20質(zhì)量份；
硫化劑:0.5-15質(zhì)量份；
其成型制品拉伸強(qiáng)度為4?9MPa，斷裂伸長率為200?550 %，線燒蝕率為0.02?0.1mm/so
[0006]其中，所述的硅橡膠為甲基乙烯基硅橡膠和甲基苯基乙烯基硅橡膠中的一種或兩種。
[0007]所述的白炭黑為氣相法白炭黑和沉淀法白炭黑的一種或兩種。
[0008]所述的結(jié)構(gòu)化控制劑為羥基硅油和苯基硅油中的一種或兩種。
[0009]所述的耐燒蝕纖維為碳纖維、芳綸纖維和芳砜綸纖維的一種或兩種以上。
[0010]所述的陶瓷化粉為氧化鋁、氧化媽、氧化錯、氧化鎂和氧化鈦中的一種或兩種以上。
[0011]所述的炭化物為納米石墨粉、石墨烯、納米炭黑和碳納米管中的一種或兩種以上。
[0012]所述的偶聯(lián)劑為γ-氨丙基三乙氧基硅烷(ΚΗ550)、γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-560)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-570)和六甲基二硅氮烷中的一種或兩種以上。
[0013]所述的硫化劑為過氧化二異丙苯(DCP)、過氧化苯甲酰(BPO)和雙二五中的一種或兩種以上。
[0014]本發(fā)明的硅橡膠基耐燒蝕絕熱復(fù)合材料的制備方法，按照以下步驟進(jìn)行:
(1)按照硅橡膠100質(zhì)量份、耐燒蝕纖維5~30質(zhì)量份、白炭黑10~80質(zhì)量份、結(jié)構(gòu)化控制劑0.5-10質(zhì)量份、陶瓷化粉5~50質(zhì)量份、炭化物1~30質(zhì)量份、偶聯(lián)劑2~20質(zhì)量份和硫化劑0.5-15質(zhì)量份進(jìn)行配料；
(2)首先將硅橡膠、白炭黑和結(jié)構(gòu)化控制劑在雙輥開煉機(jī)上混煉均勻，得到混煉物，再將經(jīng)偶聯(lián)劑處理過的陶瓷化粉、炭化物、耐燒蝕纖維與混煉物一起在雙輥開煉機(jī)上混煉均勻，混煉溫度< 50°C，得到混煉硅橡膠；
(3)將混煉硅橡膠于20°C?30°C下放置16小時?48小時，再在開煉機(jī)上開煉，加入0.5?15質(zhì)量份硫化劑，溫度< 50°C，使硫化劑與混煉硅橡膠混煉均勻成片；
(4)出片后，用平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化，硫化溫度為160?180°C，時間為5?30min，壓力為10?15MPa，得到成型材料；
(5)將成型材料在電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行二段硫化，硫化溫度為190~250°C，時間2~8小時，得到硅橡膠基耐燒蝕絕熱復(fù)合材料。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點和有益效果是:
本發(fā)明在硅橡膠基體中添加炭化物，并添加一部分陶瓷化粉，使硅橡膠基耐燒蝕復(fù)合材料在燒蝕過程中發(fā)生陶瓷化和炭化的物理-化學(xué)相互耦合作，即陶瓷化-炭化耦合作用，提高了硅橡膠基耐燒蝕絕熱復(fù)合材料的炭化層強(qiáng)度和密度，增強(qiáng)其耐燒蝕性能和抗氧化性，其成型后所得制品拉伸強(qiáng)度為4?9MPa，斷裂伸長率為200?550%，線燒蝕率0.02?0.lmm/s,能夠滿足未來航天器速度更快，有效載荷越高的要求。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明實施例1中得到的硅橡膠基耐燒蝕絕熱復(fù)合材料經(jīng)燒蝕試驗的宏觀圖片；
圖2是本發(fā)明實施例1中得到的硅橡膠基耐燒蝕絕熱復(fù)合材料經(jīng)燒蝕試驗的SEM圖片。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提出的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說明，但不作為對技術(shù)方案的限制。
[0018]本發(fā)明實施例中對復(fù)合材料進(jìn)行拉伸實驗采用GB/T528-2009標(biāo)準(zhǔn)，試樣為II型啞鈴型，拉伸速率500mm/min，取三個試樣均值。燒蝕實驗按照GJB 323A-96標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試樣為厚度為10mm，直徑為30mm的小圓柱，測試時氧乙炔焰垂直沖燒到試樣上，噴嘴直徑2mm，噴嘴與試樣距離10mm，燒蝕時間20s，氧氣流量為1512 L/h、乙炔流量為1116 L/h。
[0019]實施例1
本實施例的娃橡膠基耐燒蝕絕熱復(fù)合材料，其成分由娃橡膠甲基乙稀基娃橡膠100質(zhì)量份、耐燒蝕纖維6_短切碳纖維5質(zhì)量份、氣相法白炭黑30質(zhì)量份、結(jié)構(gòu)化控制劑羥基硅油2質(zhì)量份、陶瓷化粉氧化鎂15質(zhì)量份和氧化鋯15質(zhì)量份、炭化物碳納米管5質(zhì)量份和乙炔炭黑5質(zhì)量份、偶聯(lián)劑KH-560 10質(zhì)量份和硫化劑過氧化二異丙苯0.5質(zhì)量份組成，其成型制品拉伸強(qiáng)度為6.78 MPa,斷裂伸長率為424%，線燒蝕率為0.055mm/s，其進(jìn)行燒蝕試驗后的宏觀圖片為圖l，Sffl圖如圖2所示，從圖1和圖2可以看出，硅橡膠基耐燒蝕絕熱復(fù)合材料形成了致密的炭化層。
[0020]其制備方法，按照以下步驟進(jìn)行:
(1)按照硅橡膠甲基乙烯基硅橡膠100質(zhì)量份、耐燒蝕纖維6_短切碳纖維5質(zhì)量份、氣相法白炭黑30質(zhì)量份、結(jié)構(gòu)化控制劑羥基硅油2質(zhì)量份、陶瓷化粉氧化鎂15質(zhì)量份、氧化鋯15質(zhì)量份、炭化物碳納米管5質(zhì)量份、乙炔炭黑5質(zhì)量份、偶聯(lián)劑KH-560 10質(zhì)量份和硫化劑過氧化二異丙苯0.5質(zhì)量份進(jìn)行配料；
(2)首先將娃橡膠甲基乙稀基娃橡膠、氣相法白炭黑和結(jié)構(gòu)化控制劑輕基娃油在雙棍開煉機(jī)上混煉均勻，得到混煉物，再將經(jīng)偶聯(lián)劑KH-560表面處理過的陶瓷化粉氧化鎂和氧化鋯、炭化物碳納米管和乙炔炭黑、耐燒蝕纖維6_短切碳纖維與混煉物一起在雙輥開煉機(jī)上混煉均勻，混煉溫度50°C，得到混煉硅橡膠；
(3)將混煉硅橡膠于25°C下放置36小時，再在開煉機(jī)上開煉，加入0.5質(zhì)量份硫化劑過氧化二異丙苯，溫度50°C，使硫化劑與混煉硅橡膠混煉均勻成片；
(4)出片后，用平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化，硫化溫度為170°C，時間為20mi