碳系填充硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料的制备与性能研究

发布时间：2017-07-19 20:22

  本文关键词：碳系填充硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料的制备与性能研究

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【摘要】：固体火箭发动机中的内绝热层设计是保证火箭发动机正常工作的关键技术之一。随着高能推进剂的广泛采用,以及先进的装药设计和大型装药浇铸工艺的出现,对绝热层防护材料及其结构提出了新的应用环境及要求,包括质轻、长时间绝热、高效绝热、高可靠性等。作为一种软基热防护材料,硅橡胶基耐烧蚀绝热材料具有较低的密度和热导率、优良的吸热能力、耐烧蚀性能和热稳定性等特点。该类型材料既能适用于长时间飞行、又能耐长时间烧蚀和高气流剪切,且具有较好的隔热性能。但硅橡胶基耐烧蚀绝热材料在高温下具有成碳率低,耐冲刷性差,不利于极高温度下防护的缺点,另外在高温环境下,材料会发生复杂的物理—化学变化和烧蚀相变,自主研发、制备新型硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料,预报材料耐烧蚀性能具有十分重要的意义。首先,以甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)和甲基乙烯基苯基硅橡胶(PVMQ)为基体,白炭黑和碳黑作为补强填料,制备碳系填充硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料(C-SR)的基础配方(C-SR-BF)。研究填料对基础配方中材料性能的影响。实验结果表明:PVMQ比VMQ有更优异的耐热性;碳黑对硅橡胶有补强作用,但填充碳黑的试样烧蚀后质量损失显著。硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料基础配方为PVMQ和VMQ各50份,白炭黑30份。其次,以纳米石墨、碳黑为碳系填料,制备了碳系粉体填充硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料(CP-SR),考查了纳米石墨、碳黑含量对CP-SR的影响。实验结果表明,填充10份纳米石墨的试样,其抗拉强度为4.96 MPa,断裂伸长率为1152%,达到最佳的拉伸性能;填充纳米石墨可提高材料的耐烧蚀性能,特别是可降低线烧蚀率;纳米石墨/碳黑复配对试样的拉伸性能既能增强又能增韧,复配比为2/5时,抗拉强度达到5.61 MPa,断裂伸长率达2819.5%,此时的试样可抵抗高温高速气流的冲刷。最后,探索了不同含量的碳系纤维—碳纳米管(CNTs)和碳纤维(Cf)对碳系纤维填充硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料(CF-SR)试样拉伸性能、耐烧蚀性能和绝热性能的影响以及表面复合碳纤维布对CF-SR试样耐烧蚀绝热性能的影响。实验结果表明,填充0.5份和10份的碳纳米管试样,其抗拉强度分别为4.86 MPa和4.66MPa,少量的碳纳米管即可大大提高材料的拉伸性能;碳纳米管为1、2、3份时,CNTs-SR试样的线烧蚀率均在0.1 mm/s左右波动,具有优异的耐烧蚀性能。碳纤维填充量为10份时,Cf-SR试样抗拉强度为4.3 MPa;碳纤维填充量为20份时,试样的质量烧蚀率为0.0091 g/s,线烧蚀率为0.031 mm/s,碳纤维可显著提高材料耐烧蚀性。表面复合一层、二层、三层碳纤维布的的碳系纤维填充硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料,其拉伸性能、动态抗冲击性能、耐烧蚀绝热性能均明显增强。
【关键词】：热硫化硅橡胶 耐烧蚀 绝热 碳系材料 烧蚀层
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-29
• 1.1 前言13-14
• 1.2 绝热层材料的组成及分类14-16
• 1.3 树脂基绝热层基体材料的研究进展16-18
• 1.3.1 酚醛树脂基体材料的研究进展16-17
• 1.3.2 硅树脂基体材料的研究进展17-18
• 1.3.3 聚芳基乙炔基体材料的研究进展18
• 1.4 碳/碳基绝热层基体材料的研究进展18-19
• 1.5 橡胶基绝热层基体材料的研究进展19-23
• 1.5.1 丁腈橡胶基体材料的研究进展19-20
• 1.5.2 三元乙丙橡胶基体材料的研究进展20-21
• 1.5.3 硅橡胶基体材料的研究进展21-23
• 1.6 碳系耐烧蚀填料的研究进展23-25
• 1.7 本文研究意义及内容25-29
• 1.7.1 研究意义25-26
• 1.7.2 研究内容26-29
• 第2章 碳系填充硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料基础配方的确定29-43
• 2.1 引言29-30
• 2.2 实验部分30-34
• 2.2.1 实验原料30
• 2.2.2 实验仪器30-31
• 2.2.3 样品制备31-32
• 2.2.4 表征方法32-34
• 2.3 结果与讨论34-40
• 2.3.1 两种硅橡胶的耐热性能研究34-35
• 2.3.2 碳黑与白炭黑的填充对基体橡胶性能的影响35-40
• 2.4 本章小结40-43
• 第3章 碳系粉体填充硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料的制备及性能研究43-63
• 3.1 引言43-44
• 3.2 实验部分44-46
• 3.2.1 实验原料44
• 3.2.2 实验仪器44-45
• 3.2.3 样品制备45
• 3.2.4 表征方法45-46
• 3.3 纳米石墨含量对纳米石墨填充硅橡胶试样各项性能的影响46-57
• 3.3.1 纳米石墨含量对NG-SR试样拉伸性能的影响46-49
• 3.3.2 纳米石墨含量对NG-SR试样耐烧蚀绝热性能的影响49-52
• 3.3.3 NG-SR试样的烧蚀层结构分析及化学组成52-55
• 3.3.4 纳米石墨含量对NG-SR试样摩擦性能的影响55-57
• 3.4 纳米石墨/碳黑复配比对纳米石墨/碳黑填充硅橡胶试样各项性能的影响423.4.1 纳米石墨/碳黑复配比对NG/CB-SR试样拉伸性能的影响57-62
• 3.4.1 纳米石墨/碳黑复配比对 NG/CB-SR 试样拉伸性能的影响57-58
• 3.4.2 纳米石墨/碳黑复配对NG/CB-SR试样耐烧蚀绝热性能的影响58-60
• 3.4.3 纳米石墨/碳黑复配对NG/CB-SR试样摩擦性能的影响60-62
• 3.5 本章小结62-63
• 第4章 碳系纤维填充硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料的制备及性能研究63-91
• 4.1 引言63
• 4.2 实验部分63-66
• 4.2.1 实验原料63-64
• 4.2.2 实验仪器64-65
• 4.2.3 样品制备65
• 4.2.4 表征方法65-66
• 4.3 碳纳米管含量对碳纳米管填充硅橡胶试样各项性能的影响66-74
• 4.3.1 碳纳米管含量对CNTs-SR试样拉伸性能的影响66-67
• 4.3.2 碳纳米管含量对CNTs-SR试样耐烧蚀绝热性能的影响67-70
• 4.3.3 CNTs-SR试样的烧蚀层结构分析及化学组成70-73
• 4.3.4 碳纳米管含量对CNTs-SR试样摩擦性能的影响73-74
• 4.4 碳纤维含量对碳纤维填充硅橡胶试样各项性能的影响74-82
• 4.4.1 碳纤维含量对Cf-SR试样拉伸性能的影响74-76
• 4.4.2 碳纤维含量对Cf-SR耐烧蚀绝热性能的影响76-78
• 4.4.3 Cf-SR试样的烧蚀层结构分析及化学组成78-80
• 4.4.4 碳纤维含量对Cf-SR试样摩擦性能的影响80-82
• 4.5 表面复合碳纤维布/聚硼硅氧烷对CF-SR应用环境模拟研究82-88
• 4.5.1 碳纤维布/聚硼硅氧烷复合材料拉伸性能的表征82-84
• 4.5.2 表面复合碳纤维布/聚硼硅氧烷对CF-SR动态冲击性能的影响84-85
• 4.5.3 表面复合碳纤维布/聚硼硅氧烷对硅橡胶耐烧蚀绝热性能的影响85-88
• 4.6 本章小结88-91
• 结论91-93
• 参考文献93-99
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果99-100
• 致谢100-101

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