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《武汉理工大学》 2017年
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耐烧蚀硅橡胶基复合材料的制备及性能研究

张光武  
【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SiO_2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°C,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SiO_2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(SiC_w)为第二相填料,制备了SiC_w/MMT/SR复合材料,SiC_w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SiC_w后也能有效降低10 phr MMT/SR体系的烧蚀速率,当SiC_w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,SiC_w氧化产生SiO_2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。SiC_w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,SiC_w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。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ333.93;TB33

【参考文献】
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