柔性烧蚀材料研究进展.pdf

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1、万方数据第31卷第4期2010年8月特种橡胶制品SpecialPurposeRubberProductsV01．31No．4Auguat2010柔性烧蚀材料研究进展张春梅，杜华太，庞明磊。周义(山东非金属材料研究所，济南250031)摘要：对近年来柔性烧蚀材料的研究进展进行了评述．包括烧蚀机理、橡胶基体、耐烧蚀增强填料、常用阻燃剂体系4个方面．提出了柔性烧蚀材料今后的发展方向。关键词：柔性烧蚀材料；橡胶基体；耐烧蚀填料；阻燃剂中图分类号：TQ336．4+2文献标识码：A文章编号：1005--4030(2010)04--00

2、55--06火箭、导弹等航天飞行器的工作温度一般在3000℃～4000℃，产生的高温火焰和燃气流远远超出高温合金所能承受的程度，在此条件下，金属很快就会熔化、烧毁，影响了航天器的安全可靠性。因而，必须采取相应的热防护措施，以保证航天器的正常飞行。通常采取的防热方法有吸热法、辐射法和烧蚀法。烧蚀法与其他两种方法相比较具有明显的优越性，是目前应用最广泛的热防护方法。烧蚀法是指在热流作用下，材料本身能发生分解、熔化、蒸发、升华等多种吸热的物理化学变化，借材料自身质量消耗带走大量热量，从而阻止热传导到材料的内部结构中[1]。目前常

3、用烧蚀材料根据基体种类分为3种：柔性材料，是以橡胶类弹性体为基体添加耐烧蚀填料制得；硬性材料，以树脂为基体添加耐烧蚀填料制得；近年来开始出现柔性与硬性并用的烧蚀绝热材料。柔性烧蚀材料是保证航天器正常飞行的重要材料，常用作航天器发动机的内绝热层、推进剂的限燃包覆层和火箭发动机的喷管喉衬等。本文将从烧蚀机理、柔性基体、耐烧蚀填料、阻燃剂几个方面对柔性烧蚀材料的研究进展进行全面的评述。1烧蚀机理的研究进展国外对烧蚀材料的烧蚀机理开展过很多的研究工作，但大都集中在酚醛材料，c／c复合材收稿日期：Z010—02一01作者简介：张春梅

4、(1986一)，山东济南人，在读硕士研究生，方向：橡胶材料专业．料口矗]，以及某些聚酯[4]材料上，关于柔性烧蚀材料烧蚀机理的系统研究不多。国内对烧蚀材料尤其是柔性烧蚀材料的烧蚀机理研究较晚，目前还没有统一的烧蚀机理或模型；对于不同的烧蚀材料，烧蚀过程和机理是不同的，但有一定的相似性。王松柏【5]将耐烧蚀材料的烧蚀问题分为燃气中不含粒子成分的气相烧蚀和燃气中含有大量粒子成分的粒子侵蚀，并分别建立了气相烧蚀模型和粒子侵蚀模型，给出了气相烧蚀速度和粒子侵蚀速度的计算方法，与实验基本吻合。易法军等[63将防热复合材料的烧蚀过程分

5、为表面烧蚀和体积烧蚀两种类型。表面烧蚀又称为线烧蚀，是指发生在结构表面的烧蚀，主要包括材料表面气流的热化学反应、材料的熔化、蒸发(升华)、高速粒子撞击(侵蚀)以及机械剥蚀引起的质量损失，从而引起烧蚀界面发生迁移；体积烧蚀是指结构内部材料在相对于表面烧蚀而言的较低温度下因热解反应和热氧化反应所导致的质量损失。根据控制体模型相应建立了各自的烧蚀模型，同时指出两种烧蚀过程相互耦合，没有明确的分界，均包括多种复杂的质量／能量传递过程。邢连群[7]从材料的热解、炭化、表面炭层的燃烧、表面膨胀、向内部的热传导几个方面分析了低密度硅基材

6、料的烧蚀机理，并分析了材料导热系数、比热、热分解动力学参数对防热结构背面温度的影响。江伟辉等[83认为烧蚀材料按烧蚀机理可分为熔化型、升华型和炭化型。熔化型烧蚀材料的特点是材料受热后，表面形成一层二氧化硅粘性液万方数据56特种橡胶制品第31卷第4期体保护膜，减小边界层高温气体对材料的对流加热；另一方面，它不但能在本身的高温蒸发中吸收热量，而且还能在由于高速热气流冲刷而流失的过程中带走大量的热量。升华型烧蚀材料在高温下升华，吸收热量。炭化型烧蚀材料特点是低温热解，高温工作，材料在较低的温度下出现热解和相变，然后在材料表面形成

7、一层厚厚的以炭为主要成分的炭层，保护其内部的材料。由于缺乏有效的实验手段，目前国内外对高浓度颗粒流冲蚀条件下绝热层烧蚀的研究不多。李江等阴]开展了冲蚀条件下一种炭布橡胶类绝热材料的烧蚀实验，结果表明，实验条件下冲蚀速度是影响绝热层烧蚀的最主要因素；冲蚀速度较低时，即使颗粒浓度很高，烧蚀率也不是很大。在实验基础上建立了一种基于炭化烧蚀模型的烧蚀计算模型，建立了冲蚀状态与炭层厚度之间的关系，计算结果与实验结果在一定程度上较为吻合。2烧蚀橡胶基材的研究进展国内外对航天器发动机用柔性绝热烧蚀材料有很多研究，得到广泛使用的是丁腈橡胶

8、(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)等，硅橡胶作为火箭和喷气发动机优良的绝热材料，也得到了广泛的研究。20世纪80年代以前，国外固体火箭发动机所用柔性烧蚀材料基本是石棉／丁腈橡胶材料，如海神I级、北极星I级、大力神Ⅱ等[1引。目前关于丁腈橡胶基烧蚀材料的研究主要集中在提高材料的耐烧蚀性和解决使用中的故障