有機短纖維用量和取向?qū)PDM絕熱層性能的影響①

王明超，王 敏，陳 雯，凌 玲，何永祝，任雯君

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽 441003)

0 引言

EPDM絕熱層以其密度低，耐燒蝕性能優(yōu)異等優(yōu)點，被廣泛用于固體火箭發(fā)動機內(nèi)絕熱層的基體橡膠。為提高固體火箭發(fā)動機內(nèi)絕熱層耐燒蝕性能，其配方中往往會加入一些無機粉體和短切纖維等填料。在絕熱層混煉生產(chǎn)和絕熱硫化過程中，輥壓或壓擠等強機械力會使短纖維發(fā)生取向而顯示各向異性效應(yīng)的性能。這種各向異性會對EPDM絕熱層力學(xué)性能、燒蝕性能和收縮率等均具有顯著影響。例如，絕熱層平行出片方向斷裂伸長率偏低，無法滿足總體的設(shè)計指標(biāo)要求；此外，絕熱套、預(yù)制件等硫化產(chǎn)品的尺寸控制需考慮方向，否則極易超差；收縮率的各向異性易使鋼/絕熱層界面的應(yīng)力集中問題變得更為嚴重，可能會導(dǎo)致粘接界面破壞[1-3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對添加短切纖維的絕熱層材料的各向異性進行了大量研究，但研究均局限于某一種纖維對性能的影響規(guī)律[4-5]，并沒有研究不同纖維之間的差異性。同時，對于不同纖維取向?qū)^熱層的抗沖刷性能影響研究尚未開展。

文中研究了芳綸纖維和聚酰亞胺兩種不同有機纖維的用量和取向?qū)PDM絕熱層性能影響，具體關(guān)注了EPDM絕熱材料的平行出片方向和垂直出片方向在力學(xué)性能、收縮率和燒蝕性能等性能方面的差異；同時，進行了高過載模擬實驗發(fā)動機試驗，測試推進劑燃氣沖刷條件下對含不同纖維和纖維取向的EPDM絕熱層抗沖刷性能的影響，以期為發(fā)動機絕熱層排布的設(shè)計提供實驗依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗材料

芳綸纖維，市售；聚酰亞胺纖維，市售。

1.2 實驗過程

采用無纖維填充的典型EPDM絕熱層為基材，分別填充芳綸纖維和聚酰亞胺纖維，纖維用量均為6、8、10、12、14和16 Phr。

制備平行出片方向和垂直出片方向的硫化膠試件，測試拉伸強度、斷裂伸長率和收縮率。

采用平行制樣和立式制樣工藝制備氧乙炔燒蝕件，測試氧乙炔燒蝕性能。平行制樣工藝，將3～4個試片疊放在模腔中，該燒蝕試樣中短纖維的取向方向與試樣上下底面理論上是平行的；立式制樣工藝，即將試片沿垂直出片方向裁成矩形長條，卷成圓柱，短纖維在理論上垂直于試樣平面。

采用立式鋪設(shè)、長邊垂直鋪設(shè)和長邊平行鋪設(shè)三種工藝制備模擬發(fā)動機燒蝕試件，制作方法如圖1所示。采用某三組元改推進劑進行高過載模擬實驗發(fā)動機測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維用量和取向?qū)PDM力學(xué)性能的影響

采用芳綸纖維和聚酰亞胺纖維填充絕熱層平行出片方向(L方向)和垂直出片方向(T方向)的拉伸強度和斷裂伸長率分別如圖2和圖3所示。

由圖2可看出，隨著纖維用量的增加，平行出片方向拉伸強度逐漸降低，垂直出片方向拉伸強度無顯著性規(guī)律。同時對比兩種纖維可看出，在用量6～14 Phr時，填充聚酰亞胺纖維絕熱層拉伸強度顯著高于芳綸纖維，在14～16 Phr時，兩者基本趨于一致。

(a)長邊平行鋪設(shè)

(b)長邊垂直鋪設(shè)

(c)立式鋪設(shè)

圖2 不同纖維用量和取向下EPDM絕熱層拉伸強度

由圖3可看出，隨著纖維用量的增加，斷裂伸長率逐漸降低，且垂直出片方向降幅較小，而平行出片方向降幅較大。相同用量時，在T方向和L方向，聚酰亞胺填充絕熱層斷裂伸長率均高于芳綸纖維填充絕熱層。

圖3 不同纖維用量和取向下EPDM絕熱層斷裂伸長率

由圖3還可看出，垂直出片方向斷裂伸長率明顯高于平行出片方向，為對比不同用量下兩種纖維取向?qū)^熱層斷裂伸長率影響程度，采用相對差值進行表征，其中：

相對差值=(T方向斷裂伸長率-L方向斷裂伸長率)/T方向斷裂伸長率×100%

不同纖維用量下相對差值的變化見圖4。

圖4 不同纖維用量下相對差值的變化

由圖4可看出，隨著纖維用量的提高，相對差值變大，即各項異性更加明顯。同時對比兩種纖維可看出，相同纖維用量時，填充聚酰亞胺纖維絕熱層相對差值顯著低于填充芳綸纖維絕熱層，芳綸纖維的相對差值由20%提高至90%，發(fā)生突變用量在10～12 Phr時，在14～16 Phr時維持在90%，而聚酰亞胺纖維的相對差值僅由5%提高至20%，發(fā)生突變用量在8～10 Phr，且在10～16 Phr時，基本維持在20%。

2.2 纖維用量和取向?qū)PDM收縮率的影響

橡膠制品收縮率受很多因素影響，除金屬模具與硫化膠的熱膨脹系數(shù)之差、硫化溫度、膠料配方組分及其用量等因素外，纖維取向也同樣對產(chǎn)品尺寸具有一定影響。

目前常用的模壓橡膠制品收縮率(η)定義為常溫下測量的模腔單向尺寸(L1)和橡膠制品單向尺寸(L2)之差與模腔單向尺寸之比，如式(1)：

(1)

圖5為不同纖維用量和取向下EPDM絕熱層收縮率。由圖5可看出，隨著纖維用量的增加，垂直出片方向的收縮率降低并趨于穩(wěn)定，而平行出片方向收縮率基本無明顯變化。同時在相同用量時，對比芳綸和聚酰亞胺兩種纖維收縮率基本相同，無明顯差異；對比兩個方向可發(fā)現(xiàn)，平行出片方向收縮率基本在0.1%左右，即基本無明顯收縮，而垂直出片方向的收縮率在3%～4.5%。因此，在實際應(yīng)用絕熱層的過程中，要采取有效措施防止由于絕熱層的纖維取向不同產(chǎn)生的收縮率差異，導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸不符合設(shè)計要求。

圖5 不同纖維用量和取向下EPDM絕熱層收縮率

2.3 纖維取向?qū)PDM耐燒蝕性能的影響

纖維填充燒蝕材料的線燒蝕速率與纖維的取向方向關(guān)系密切，平行制樣與立式制樣工藝下EPDM絕熱層的氧乙炔線燒蝕率如圖6所示。

圖6 不同制樣工藝下EPDM絕熱層的氧乙炔線燒蝕率

由圖6可看出，隨著纖維用量提高，平行制樣工藝試件線燒蝕率顯著降低，而立式制樣工藝試件線燒蝕率基本無明顯變化，且顯著低于平行制樣工藝試件，降幅在20%～35%。同時對比兩種纖維可見，填充聚酰亞胺纖維絕熱層線燒蝕更低，降幅在20%左右。

這是由于立式制樣工藝下，試樣中短纖維的取向方向與氧乙炔高溫高速氣流方向理論上是平行的，在燒蝕過程中，試樣內(nèi)部的短纖維可對炭化層顆粒起到一定的鉚錠、固結(jié)作用，有效阻止炭化層顆粒的脫落，同時燒蝕后所產(chǎn)生的大量氣體就可沿纖維方向快速向外傳遞，從而降低試樣內(nèi)部的溫度以及表面炭層的膨脹作用，使燒蝕后的炭化層不易發(fā)生脫落，提高炭化層的抗沖刷性能，試樣的燒蝕速率較低。

而平行制樣工藝下，試樣中短纖維的取向方向與氧乙炔高溫高速氣流方向理論上是垂直的，在燒蝕過程炭化層中的纖維狀結(jié)構(gòu)與原始橡膠基體的相互作用力弱，導(dǎo)致短纖維無法起到對炭化層顆粒的鉚錠、固結(jié)作用，使炭層與基體橡膠產(chǎn)生分層，造成部分炭化層脫落，同時燒蝕過程中產(chǎn)生的氣體不能順利傳導(dǎo)出燒蝕炭層表面，使炭層發(fā)生膨脹，使得熱量繼續(xù)向材料內(nèi)部滲透，材料進一步炭化、燒蝕，燒蝕速率相對較高。

2.4 纖維取向?qū)PDM抗沖刷性能的影響

高過載模擬實驗發(fā)動機由燃氣發(fā)生器、收斂段、調(diào)節(jié)環(huán)、試驗段、絕熱層試件和噴管構(gòu)成。燃氣發(fā)生器產(chǎn)生的兩相流燃氣經(jīng)過收斂段時，粒子被聚集加速，形成稠密粒子流，在試驗段以一定的濃度、速度和角度對絕熱層試件進行沖刷。通過更換不同直徑的調(diào)節(jié)環(huán)和不同轉(zhuǎn)折角的試驗段組合可模擬不同濃度、速度和角度的沖刷狀態(tài)。采用不同角度的試驗段時，粒子沖刷絕熱層的距離保持一致，即各工況下的L值一定(圖7)。

圖7 高過載模擬實驗發(fā)動機

由于實驗條件限制，實驗采用7 Phr芳綸纖維和7 Phr聚酰亞胺纖維共用的方式制備EPDM絕熱層，此絕熱層平行制樣工藝和立式制樣工藝的氧乙炔燒蝕率分別為0.12 mm/s和0.09 mm/s。采用三組元推進劑進行的高過載地面模擬實驗發(fā)動機測試不同纖維取向?qū)PDM絕熱層的抗沖刷性能，實驗設(shè)置兩種工況，其中工況二的沖刷速度、沖刷濃度和角度更大，即工況更加惡劣。其結(jié)果列于表1。

表1 不同工況不同鋪設(shè)方式下EPDM絕熱層的線燒蝕率

由表1可看出，兩種工況下長邊平行和長邊鋪設(shè)方式下絕熱層燒蝕率基本一致，前者略優(yōu)于后者，且在工況二的苛刻條件下的前者鋪設(shè)效果更加明顯。同時，由現(xiàn)場試件看到粒子流沖刷形成的凹坑位置沿氣流方向在軸向距離基本一致，凹坑形貌也基本一致。

由表1還可看出，工況二下相比于長邊平行和長邊垂直鋪設(shè)，立式鋪設(shè)絕熱層的線燒蝕率顯著降低約30%，有效提高了絕熱層的抗沖刷性能。其原因與氧乙炔燒蝕下平行制樣和立式制樣基本一致。

3 結(jié)論

(1)與芳綸纖維相比，采用聚酰亞胺纖維可有效提高EPDM絕熱層拉伸強度和斷裂伸長率，降低線燒蝕率。特別是有效降低由于纖維取向?qū)е碌臄嗔焉扉L率的各向異性，實現(xiàn)平行出片方向和垂直出片方向斷裂伸長率的基本一致。

(2)纖維用量相同時，芳綸和聚酰亞胺兩種纖維收縮率基本相同，隨著纖維用量的增加，垂直出片方向的收縮率由4.5%降至3%，并趨于穩(wěn)定，而平行出片方向收縮率基本無明顯變化，約0.1%。

(3)在氧乙炔燒蝕條件下，與平行制樣工藝相比，采用立式制樣工藝實現(xiàn)纖維取向與燒蝕面的垂直，可有效降低線燒蝕率，提高EPDM絕熱層的耐燒蝕性能，且采用6～8 Phr用量纖維的線燒蝕率即可達到采用14～16 Phr用量纖維的燒蝕率。

(4)在高過載地面模擬實驗發(fā)動機試驗下，兩種工況下長邊平行和長邊鋪設(shè)方式下絕熱層燒蝕率基本一致，與這兩種鋪設(shè)方式相比，立式鋪設(shè)絕熱層的線燒蝕率顯著降低約30%，有效提高了絕熱層的抗沖刷性能。

(5)在實際發(fā)動機絕熱工藝中，對耐燒蝕性能和抗沖刷性能要求特別高的部位，且絕熱層厚度較厚的部位采用模具成型的工藝實現(xiàn)纖維方向垂直于殼體，從而采用工藝提高絕熱層的耐燒蝕性能和抗沖刷性能，提高通用絕熱層材料的應(yīng)用范圍和發(fā)動機熱防護的可靠性。