適于纏繞工藝的發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層技術(shù)研究

賀大鵬，許濤

(海軍裝備部，陜西 西安 710025)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)絕熱層材料是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的重要組成部分，是介于發(fā)動(dòng)機(jī)殼體與固體推進(jìn)劑之間的一層隔熱、耐燒蝕材料。它的重要作用是通過自身的不斷消融、分解帶走大部分熱量以減緩高溫燃?xì)庀驓んw的傳遞速度，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作過程中保護(hù)殼體結(jié)構(gòu)的完整性，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在高溫、高壓燃?xì)庀碌恼９ぷ鱗1]。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層的成型方法多采用手工鋪貼法，但該方法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，工藝質(zhì)量不穩(wěn)定、成型部件厚度公差偏大、施工條件惡劣等不足。

為了克服傳統(tǒng)手工鋪貼法的弊端，本文系統(tǒng)地研究了以自動(dòng)化程度較高的絕熱層纏繞成型技術(shù)進(jìn)行，采用優(yōu)選得到的橡膠絕熱層復(fù)合材料及優(yōu)化的纏繞成型工藝參數(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)絕熱層的纏繞成型。

1 研究過程

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)纏繞用絕熱層材料篩選及實(shí)驗(yàn)方案研究

絕熱層作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的一部分，其性能的優(yōu)劣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能有相當(dāng)大的影響。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)纏繞用絕熱層在力學(xué)性能、熱學(xué)性能、工藝性能等方面均具有較高的要求：

1.1.1 密度

絕熱層是發(fā)動(dòng)機(jī)消極重量的一個(gè)重要部分，額外的消極質(zhì)量會(huì)減損火箭的性能。因此，絕熱層的密度要求盡可能低。

1.1.2 熱學(xué)性能

材料的分解速度和燒蝕速率要低，這是燒蝕材料一個(gè)重要的性能指標(biāo)。

絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)盡可能小，而比熱容應(yīng)大。使發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中能有效地防止熱流穿過絕熱層向燃燒室壁傳遞，使燃燒室殼體不至于過熱，失去強(qiáng)度或損壞殼體中對(duì)熱敏感的電子元器件。

1.1.3 力學(xué)性能

絕熱材料應(yīng)具有良好的力學(xué)性能和足夠的延伸率，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)在推進(jìn)劑澆鑄與固化、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及飛行過程中的各種應(yīng)力作用和發(fā)動(dòng)機(jī)增壓、溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變需要。

1.1.4 工藝性能

發(fā)動(dòng)機(jī)纏繞用絕熱層材料應(yīng)具備良好的工藝性能。

根據(jù)上述要求，實(shí)驗(yàn)中選用兩種方案：

方案一：以單獨(dú)的9621丁腈橡膠作為發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)絕熱層，研究其各項(xiàng)性能。

方案二：以9621橡膠為基體橡膠，同時(shí)用耐熱性能優(yōu)良、密度較低、抗燒蝕性能良好的錦綸增強(qiáng)布進(jìn)行增強(qiáng)，研究其各項(xiàng)性能，并與方案一進(jìn)行對(duì)比。

1.2 橡膠基體與錦綸增強(qiáng)布復(fù)合工藝研究

按照9621丁腈橡膠/預(yù)浸錦綸布/9621丁腈橡膠的鋪層方式，在平板硫化機(jī)上進(jìn)行二者之間的復(fù)合。以溫度、時(shí)間、壓力為復(fù)合工藝參數(shù)，選取不同的工藝參數(shù)，確定合理的橡膠基體與預(yù)浸錦綸布的復(fù)合工藝，并優(yōu)化其復(fù)合工藝參數(shù)。

1.3 橡膠基體與預(yù)浸錦綸布黏接性能及其剝離性能研究

測(cè)試橡膠基體與錦綸布的黏接性能及其剝離性能，以評(píng)價(jià)二者之間的匹配性。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 絕熱層拉伸性能測(cè)試

絕熱層拉伸性能測(cè)試按GB528—82進(jìn)行。

1.4.2 密度測(cè)試

密度性能測(cè)試按GB533—81進(jìn)行。

1.4.3 織物斷裂強(qiáng)力測(cè)試

織物斷裂強(qiáng)力測(cè)試按GB/T3923.1—1997 進(jìn)行。

1.4.4 剝離性能測(cè)試

剝離性能測(cè)試按GB2792—81進(jìn)行。

1.4.5 兩板剪切性能測(cè)試

兩板剪切性能測(cè)試按HG4-853-81進(jìn)行。

1.4.6 氧乙炔燒蝕率測(cè)試

氧乙炔燒蝕率測(cè)試按GJB323—87進(jìn)行。

1.4.7 微觀性能測(cè)試

利用JSM-6460LV電子顯微鏡觀察絕熱層材料的微觀斷裂形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 9621橡膠絕熱層性能研究

2.1.1 9621橡膠基體力學(xué)性能及熱性能研究

實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了9621丁腈橡膠的力學(xué)性能、三個(gè)熱常數(shù)及耐燒蝕性能，分別見表1～3。

表1 9621丁腈橡膠的力學(xué)性能及密度

表2 9621丁腈橡膠三個(gè)熱常數(shù)

表3 9621橡膠耐燒蝕性能

從表1～3中可以看出：

（1）9621丁腈橡膠具有較低的密度和較低的氧乙炔燒蝕率；

（2）9621橡膠具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)，屬于隔熱性能較好的材料；

（3）9621橡膠的力學(xué)性能偏低。

2.1.2 纏繞筒段用9621橡膠絕熱層研究

連續(xù)纖維纏繞成型是在控制纖維張力和預(yù)定線型的條件下，將連續(xù)的纖維粗砂浸漬樹脂膠液、連續(xù)地纏繞在相應(yīng)于內(nèi)腔尺寸的芯?；騼?nèi)襯上，然后在室溫或加熱條件下使之固化制成一定形狀制品的方法。這種纏繞工藝機(jī)械化程度高，而且制品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，已在復(fù)合材料成型加工中大量應(yīng)用。但橡膠絕熱層與連續(xù)長纖維復(fù)合材料纏繞成型時(shí)有很大區(qū)別。前者的拉伸強(qiáng)度低、延伸率高，它不能承受后者纏繞成型時(shí)的較大張力，具有自身獨(dú)特的纏繞規(guī)律：

首先，必須將絕熱層制成具有一定寬度和厚度取向性高，且能承受適當(dāng)拉力、外觀平整、連續(xù)不斷的膠帶。其次，膠帶必需具有良好的自黏性，兩膠帶之間要黏合牢固，盡量避免氣孔、脫黏現(xiàn)象的存在。第三，要能纏繞出滿足一定尺寸要求的形狀；最后，制品的性能要達(dá)到一定要求。

采用一定的纏繞工藝，制備了Φ150 mm 9621橡膠絕熱層筒段。其硫化后的圖片如圖1、圖2。

可以看出，9621橡膠絕熱層表面存在一定程度的氣孔、皺褶、不密實(shí)等缺陷，這是由于絕熱層自身強(qiáng)度較低，纏繞過程中無法施加張力的原因所致。這與9621丁腈橡膠本身的力學(xué)性能不足有關(guān)。因此，為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)絕熱層纏繞工藝需求，應(yīng)對(duì)其做進(jìn)一步的增強(qiáng)改性。

圖1 硫化后實(shí)物

圖2 硫化后表面電鏡照片

2.2 9621橡膠-錦綸布絕熱層復(fù)合材料研究

2.2.1 錦綸增強(qiáng)布性能研究

實(shí)驗(yàn)中采用加入錦綸布的方法來提高其機(jī)械強(qiáng)度，從而保證后續(xù)橡膠絕熱層纏繞時(shí)施加足夠的張力，絕熱層不至于扯斷且變形適當(dāng)。

錦綸增強(qiáng)布的基本性能見表4。

表4 錦綸增強(qiáng)布的基本性能

由表4可見，錦綸增強(qiáng)布自身具有良好的抗張強(qiáng)度。

2.2.2 橡膠基體與預(yù)浸錦綸布復(fù)合工藝研究

橡膠基體與預(yù)浸錦綸布較佳的復(fù)合工藝，是確保復(fù)合后的橡膠基體處于“預(yù)硫化”狀態(tài)，這樣一方面橡膠基體可以被增強(qiáng)，力學(xué)性能得到大幅提高；另一方面橡膠基體與預(yù)浸錦綸布復(fù)合后二者仍具有良好的彈性，而不至于使材料過剛、過硬。

選取不同的復(fù)合工藝制作試件如表5。

表5 不同復(fù)合工藝的選取

橡膠基體與預(yù)浸錦綸布復(fù)合后測(cè)得的絕熱層復(fù)合材料力學(xué)性能如表6。

表6 不同復(fù)合工藝的絕熱層復(fù)合材料性能

由表5、6可以看出，1#、2#、3#的拉伸強(qiáng)度略有所提高，但扯斷延伸率明顯下降。這可能是由于橡膠基體與錦綸布在復(fù)合過程中，絕熱層材料的剛性將隨著溫度、時(shí)間、壓力的增大而增強(qiáng)，提高了材料的拉伸強(qiáng)度，扯斷延伸率會(huì)有一定程度的下降。為了滿足后續(xù)的纏繞工藝需求，本實(shí)驗(yàn)中選取1#作為橡膠基體與錦綸布較佳的復(fù)合工藝。

2.2.3 橡膠基體與預(yù)浸錦綸布黏接性能及其剝離性能研究

纏繞成型絕熱層材料較重要的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)是自黏性。自黏性好的絕熱層，纏繞時(shí)兩個(gè)膠帶間的黏合牢固，材料的整體性強(qiáng)。否則，就會(huì)有脫黏現(xiàn)象存在，影響絕熱層材料的物理性能及燒蝕性能。

目前，對(duì)絕熱層自黏性的測(cè)試無標(biāo)準(zhǔn)可以執(zhí)行。本研究中對(duì)絕熱層自黏性的評(píng)價(jià)主要通過剝離力及兩板剪切強(qiáng)度的大小來衡量。實(shí)驗(yàn)中采用1#復(fù)合工藝制得的絕熱層復(fù)合材料的剝離力及兩板剪切性能結(jié)果見表7。

表7 絕熱層復(fù)合材料的剝離力及兩板剪切性能

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)1#復(fù)合工藝制得的絕熱層復(fù)合材料具有良好的剝離強(qiáng)度和兩板剪切強(qiáng)度，這表明改性后絕熱層材料的自黏性良好。

2.2.4 絕熱層復(fù)合材料燒蝕性能研究

絕熱層復(fù)合材料的燒蝕性能見表8。

由表8可以看出，橡膠基體經(jīng)錦綸布增強(qiáng)后，燒蝕速率較未增強(qiáng)前稍有所上升，但仍處于較好的燒蝕范圍。

表8 絕熱層復(fù)合材料耐燒蝕性能

2.2.5 纏繞用絕熱層復(fù)合材料研究

2.2.5.1 纏繞筒段用Φ150 mm絕熱層復(fù)合材料研究

為了與9621橡膠絕熱層筒段工藝進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中首先采用和方案一相同的絕熱層筒段纏繞成型方法，其實(shí)物照片見圖3。

圖3 Φ150 mm絕熱層復(fù)合材料筒段硫化后照片

與方案一對(duì)比，在采用相同的筒段纏繞方法時(shí)，由于改性后的橡膠絕熱層力學(xué)性能大幅提高，因此，在橡膠絕熱層筒段纏繞過程中可以施加足夠的張力而使其變得致密。

2.2.5.2 纏繞筒段+封頭用Φ150 mm絕熱層復(fù)合材料研究

纏繞筒段+封頭用Φ150 mm絕熱層復(fù)合材料實(shí)物見圖4。

圖4 Φ150 mm絕熱層復(fù)合材料筒段+封頭實(shí)物照片

采用不同工藝?yán)p繞成型的絕熱層復(fù)合材料制品的性能，如表9所示。

由表9可以看出，采用五切點(diǎn)的纏繞絕熱層復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能及耐燒蝕性能。纏繞制品由于其本身成型的工藝特點(diǎn)，可能存在細(xì)小的蜂窩結(jié)構(gòu)，但這種蜂窩結(jié)構(gòu)并未對(duì)絕熱層的物理性能造成損害，表明該纏繞工藝對(duì)絕熱層的成型是完全可行的。

表9 纏繞取樣的硫化后絕熱復(fù)合材料材料制品性能

3 結(jié)論

（1）盡管9621丁腈橡膠具有較低的密度和氧乙炔燒蝕率，但由于其自身強(qiáng)度較低，不能較好的滿足發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)絕熱層纏繞工藝的需求，因此，實(shí)驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行了增強(qiáng)改性。

（2）9621橡膠基體經(jīng)錦綸布增強(qiáng)改性后的絕熱層復(fù)合材料，燒蝕速率有所增加，但9621橡膠-錦綸布絕熱層復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度大幅提高，且具有良好的剝離強(qiáng)度和剪切性能，能夠滿足內(nèi)絕熱層纏繞工藝的需要。

（3）采用五切點(diǎn)工藝的纏繞絕熱層復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能及耐燒蝕性能。

[1] 白湘云等，耐燒蝕填料對(duì)三元乙丙橡膠內(nèi)絕熱材料性能的影響，宇航材料工藝，2004，4：25.