聚硅氧烷基烧蚀材料制备及其性能研究

发布时间：2020-04-24 02:41

【摘要】：聚硅氧烷材料具有优异的物理和化学性能,在烧蚀材料领域有着重要应用前景。本文以端羟基聚硅氧烷为基础聚合物,分别以白炭黑、碳酸钙和功能填料H为聚合物填料,制备聚硅氧烷基烧蚀材料;以三乙氧基硅基封端聚硅氧烷聚合物为基础聚合物,通过共聚改性,制备改性聚硅氧烷基烧蚀材料,并对两种烧蚀材料的烧蚀性能进行研究。用端羟基聚硅氧烷与4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)进行端基反应,得到异氰酸酯基聚硅氧烷预聚物,然后用氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)与异氰酸酯基聚硅氧烷预聚物反应,制备三乙氧基硅基封端聚硅氧烷。通过红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(1H NMR)对产物进行表征,成功合成了三乙氧基硅基封端聚硅氧烷,符合预期结构;GPC数据表明所得到的三乙氧基硅基封端聚硅氧烷符合预期分子量;制备的产物本体黏度为9.42 Pa s(10 r/min,25℃)。以端羟基聚硅氧烷为基础聚合物,分别以白炭黑、碳酸钙和功能填料H为聚合物填料,制备聚硅氧烷基烧蚀材料。采用热重分析(TGA)、煤气-氧气火焰、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和红外光谱(FT-IR)等方法对制备的聚硅氧烷基烧蚀材料的力学性能、热稳定性能、烧蚀性能、烧蚀后的炭层结构进行表征。基于功能填料H和白炭黑,制备了烧蚀速率为7.44 mm/min,拉伸强度为2.56 MPa,伸长率为117%的聚硅氧烷基烧蚀材料。以功能填料H为填料制备的聚硅氧烷基可控烧蚀材料(CAPS-H)的热稳定性降低,CAPS-H热失重5%时温度为320℃(氮气氛),相比于不加功能填料H的纯聚硅氧烷烧蚀材料下降了 20℃。分别以白炭黑、碳酸钙、功能填料H为填料制备的聚硅氧烷基烧蚀材料,在煤气-氧气火焰温度960℃条件下,白炭黑和碳酸钙的加入均会降低聚硅氧烷基烧蚀材料的烧蚀速率。当碳酸钙作为填料时,制备的聚硅氧烷烧蚀材料CAPS-Ca的烧蚀速率下降明显,在添加量为40 phr时为3.12 mm/min,与纯聚硅氧烷烧蚀材料相比下降了 43%。当功能填料H作为填料时,所制备的聚硅氧烷基烧蚀材料的烧蚀速率加快,随着功能填料H添加量的增加呈现先增大后减小的趋势,当添加量为20phr时达到最大值11.88 mm/min,与纯聚硅氧烷烧蚀材料相比提高了 114%。白炭黑和碳酸钙为填料制备的聚硅氧烷基烧蚀材料经火焰烧蚀后,形成了含片层状或纤维状结构的炭层,覆盖在未烧蚀材料表面,起到隔热和阻挡火焰的作用;以功能填料H制备的聚硅氧烷基烧蚀材料烧蚀的炭层疏松,材料的烧蚀速率增加。基于三乙氧基硅基封端聚硅氧烷聚合物制备了改性聚硅氧烷基烧蚀材料,采用TGA、煤气-氧气火焰、XRD和FT-IR等方法对制备的聚硅氧烷基烧蚀材料的力学性能、热稳定性能、烧蚀性能、烧蚀后的炭层结构进行表征。随着改性剂比例的增加,所制备的改性聚硅氧烷基烧蚀材料的烧蚀速率呈现先增加后减小的趋势,当改性剂的加入量为10 wt%时,所制备的改性聚硅氧烷烧蚀材料的烧蚀速率达到最大值为10.0 mm/min,形成的炭层疏松多孔。改性聚硅氧烷烧蚀材料烧蚀速率受组份配方的影响大,白炭黑的加入会降低该烧蚀材料的烧蚀速率;研究的两种助剂能增加烧蚀材料的烧蚀速率;少量的改性剂增加烧蚀材料的烧蚀速率,增加改性剂则会降低该烧蚀材料的烧蚀速率。
【图文】：

示意图,火箭发动机,示意图,耐烧蚀材料

相互转化且热能和质量有规则的传递过程。在发生物理和化学变化，如材料的相变（熔化、、燃烧等，而被消耗掉的的材料，称为烧蚀材行为可分为烧蚀材料和耐烧蚀材料。可烧蚀材燃药筒等领域；耐烧蚀材料可用于火箭发动机等领域。逡逑热层材料逡逑绝热层是位于壳体内表面与推进剂之间的热防烧坏燃烧室壳体，或因过热而降低壳体的强度正常工作Ｗ。内绝热层材料一般由聚合物基体

点火器,可燃,结构示意图

火箭发动机上使用的点火器壳体一般是钢、铝合金、玻璃钢等材料，对于小逡逑型和工作时间较短的发动机，点火器壳体烧蚀的残骸随气流经喉道排出，可能会逡逑对发动机结构件或其它设备造成损害【２］。新型可燃点火器（如图１．４）由于在发逡逑动机点火工作完成后，其壳体能够自行燃烧，燃烧残渣少，基本呈粉状碎末经发逡逑动机喷口喷出，不会对发动机结构件或其他设备造成危害，因此新型可燃点火器逡逑在发动机设计中受到越来越多的重视［３］。屠小昌［２１将可燃材料应用到以丁羟复合逡逑推进剂装药的某型号固体发动机的点火器中，并与传统的铝质点火器进行了比逡逑较，结果显示，，铝质点火器在高温下未完全熔化，被高温气流从喉道吹出，影响逡逑了喉道面积变化，引起发动机试验异常。而可燃点火器在工作后全部被烧掉，对逡逑发动机内弹道和结构无明显影响。逡逑图１．２可燃点火器结构示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ邋ｉｇｎｉｔｅｒ．逡逑火箭喷管和火箭壳体使用可烧蚀材料，其特点是在火箭完成发射运载任务逡逑后，落回地面之前，能够全部燃烧自毁，化为极轻小的灰烬和碎片，从而有效地逡逑２逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V25;O634.41

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