室溫硫化硅橡膠外防護材料及成型工藝①

李 洋，孫笑然，伍 政，詹 穹，王 江，陳亞格，彭 琴

(湖北航天化學技術研究所，襄陽 441003)

0 引言

為滿足固體火箭發(fā)動機高速飛行需求，可對其外表面進行熱防護，以降低氣動加熱對發(fā)動機殼體及控制系統(tǒng)的作用。針對此類發(fā)動機外防護領域，普遍采用樹脂基涂層材料[1]，以硅橡膠為外防護材料的工作較少[2]。以樹脂基涂層材料為外防護材料的一大缺陷是熱導率高，隔熱效果沒有硅橡膠的好。

室溫加成型硅橡膠(RTV)是以乙烯基硅油為基礎膠，以含氫硅油為交聯(lián)劑，在鉑催化劑存在下進行硅氫加成反應而交聯(lián)，由于其硫化過程中不產(chǎn)生副產(chǎn)物，收縮率極小，強度高，且可操作時間長。因此，作為熱防護材料在20世紀60年代末期，歐美一些國家就將其引入固體火箭發(fā)動機絕熱。

美國Dow Corning公司研制的DC93-104屬于加成型RTV，已成功用于沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)絕熱層，其耐燒蝕填料主要有碳化硅、二氧化硅及炭纖維等。1986年，美國海軍聯(lián)合研究所Baldwin[3]研制出一種高乙烯基含量的加成型RTV，用于噴氣推進系統(tǒng)燃燒室，其配方組成為40%～45%乙烯基硅油，5%～9%含氫硅油，0.25%～0.75%氯鉑酸及50%填料，如SiO2，SiC，炭纖維。航天科工46所研制的加成型RTV配方DTZ-1[4]，含0～40份阻燃劑，0～7份芳綸纖維，1～5份固化劑和適量催化劑，氧乙炔線燒蝕率0.08～0.20 mm/s，拉伸強度3.1～7.0 MPa，伸長率23%～165%，已用于小型燃氣發(fā)生器藥柱的絕熱包覆。但將RTV應用于外防護領域的工作還未見報道[5-8]，主要因為其成型工藝一直是一個難題。

本文采用正交試驗篩選出性能良好的RTV材料，并通過模壓成型工藝，對試驗用固體火箭發(fā)動機進行了外防護。

1 實驗

1.1 試樣制備

主要原材料及性能指標見表1。采用開煉工藝制備RTV絕熱材料。

表1 主要原材料及性能指標

1.2 性能測試

(1)燒蝕性能：按照GJB 323A—1996測試硫化膠燒蝕性能。

(2)力學性能：按照GB/T 528—2009測試硫化膠力學性能，試樣形狀為2型，拉伸速率為500 mm/min。

(3)硫化程度：用邵A硬度計測試10 mm厚試件的表面硬度，讀取3個硬度值：初始最高硬度、5 s時硬度、10 s時硬度，通過3個硬度的差值估測RTV的硫化程度，分為好、良、差3個等級。根據(jù)硫化程度定性評估硫化膠的交聯(lián)密度。

(4)密度：按照QJ 917A—1997測試硫化膠密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 RTV絕熱材料研究

為篩選性能良好的RTV絕熱材料，在確定基體材料配方(見表2)基礎上，采用正交試驗研究了耐燒蝕填料(KF、FB、SiC、MgO)、阻燃填料(Al(OH)3)及KF與FB、SiC的交互作用對RTV絕熱材料燒蝕、力學性能和硫化程度的影響。

表2 基體材料配方

2.1.1 填料對RTV絕熱材料燒蝕性能的作用

正交試驗結(jié)果(見表3)表明，KF的添加量對RTV絕熱材料的線燒蝕率影響最為顯著，當KF的添加量從4份增至6份時，線燒蝕率從0.20 mm/s以上降到0.20 mm/s以下，可推測隨著KF的增加，RTV絕熱材料的燒蝕性能將更好。此外，添加6份KF的RTV絕熱材料燒蝕后炭層結(jié)構(gòu)較致密且完整(見圖1)，表明隨著KF量的增加，燒蝕過程中形成的骨架更為致密結(jié)實。

2.1.2 填料對RTV絕熱材料力學性能的作用

正交試驗結(jié)果(見表4)表明，隨著KF的增加，RTV絕熱材料拉伸強度增幅明顯。觀察啞鈴試件扯斷后的斷口形貌，有大量絲狀物，可推斷其為從另一端拔出的KF，表明KF起到了纖維補強作用。目測絲狀物長度，與KF原有長度基本一致，表明由于硅橡膠相對弱的剪切力，開煉工藝下KF仍能保持其本體長度。

研究發(fā)現(xiàn)，MgO對RTV基體材料的補強效果明顯。本研究采用的MgO是輕質(zhì)氧化鎂，其蓬松狀態(tài)與AS380接近，由于其與AS380均屬于氧化物，在補強機理上接近，與基體材料的界面作用大，提高了材料的拉伸強度。

表3 填料對RTV材料線燒蝕率的影響

表4 填料對RTV材料拉伸強度的影響

Al(OH)3、SiC的添加對RTV基體材料的拉伸強度有害。這兩種固體填料的本體均為高硬微米顆粒，其與基體材料的界面作用較小，對基體材料主要是粒狀充填，使基礎膠與交聯(lián)劑分子間距擴大，交聯(lián)密度較低，從而拉伸強度變小。

但SiC對RTV絕熱材料的扯斷伸長率(見表5)有利，而MgO有害，這可能是因SiC與基體材料的相互作用較小，降低了基體材料的交聯(lián)密度，使其扯斷伸長率有一定程度增加，而MgO與基體材料相互作用大，這與其大幅增加RTV絕熱材料拉伸強度相印證。

2.1.3 填料對RTV絕熱材料硫化程度的作用

正交試驗結(jié)果(見表6)表明，在控制基礎膠配比、白炭黑添加量后，各配方硫化程度均為好。其中MgO對RTV絕熱材料的硫化程度影響最大，這可能是其結(jié)構(gòu)與AS380相似，與基礎膠分子相互作用大，有利于提高基體材料的交聯(lián)密度，提高RTV絕熱材料的硬度，且硫化程度也相應提高。

2.2 RTV絕熱材料外防護成型工藝研究

在RTV絕熱材料研究基礎上，采用AD-24-KF材料配方對殼體進行外防護，其主要性能見表7。

外防護材料主要為樹脂基材料，采用噴涂等工藝成型，但針對硅橡膠的材料特性，本文采用模壓工藝(見圖2)制備。絕熱產(chǎn)品表面光滑(見圖3)，并得到了試車結(jié)果的肯定，表明RTV材料及相應的模壓工藝在發(fā)動機外防護領域是可行的。

表5 填料對RTV材料扯斷伸長率的影響

表6 填料對RTV材料硫化程度的影響

表7 配方燒蝕和力學性能

3 結(jié)論

(1)隨著KF的份數(shù)增加，RTV材料燒蝕和力學性能均得到顯著提高。此外，MgO的添加也能提高RTV絕熱材料的力學性能。通過正交試驗，確定了性能最佳的RTV絕熱材料配方，其線燒蝕率0.199 mm/s，拉伸強度2.84 MPa，扯斷伸長率119.9%，基本能滿足外防護材料性能要求。

(2)不同于常用樹脂基涂層材料，為滿足更高隔熱要求的發(fā)動機外防護需求，本文首先采用低熱導率的RTV作為外防護材料，并通過模壓工藝，對某固體火箭發(fā)動機進行了外防護。試車結(jié)果表明，該材料及工藝是可行的。