第42卷第1期
固体火箭技术
Journal of SolidＲocket Technology Vol．42No．12019不同橡胶基绝热材料性能对比分析①
刘辉，曾金芳，余惠琴，朱文苑
（西安航天复合材料研究所，西安710025）
摘要：分别对以硅橡胶（SiＲ）、丁异戊橡胶（BIＲ）、丁腈橡胶（NBＲ）、三元乙丙橡胶（EPDM）为基体的绝热材料力学性能、密度、烧蚀性能、热性能进行了研究，并对其烧蚀后试样表面和剖面的微观形貌进行了分析。结果表明，SiＲ绝热材料烧蚀后形成坚硬、致密的瓷化层，抗烧蚀性能好，且热稳定性能良好，但力学性能较差；BIＲ绝热材料烧蚀性能较好，综合性能优；NBＲ绝热材料密度高且炭层疏松；EPDM绝热材料密度低，力学性能优异，但炭层易剥离，烧蚀性能差。
关键词：绝热材料；烧蚀性能；烧蚀形貌；力学性能；热性能
中图分类号：V255文献标识码：A文章编号：1006－2793（2019）01－0105－07
DOI：10．7673/j．issn．1006－2793．2019．01．016
Comparative performance analyses for different
rubber-based insulation materials
LIU Hui，ZENG Jinfang，YU Huiqin，ZHU Wenyuan
（Xi’an Aerospace CompositesＲesearch Institute，Xi’an710025，China）
Abstract：The mechanical properties，density，ablation performance and thermal properties of insulation materials based on SiＲ，BIＲ，NBＲand EPDM have been studied．The microscopic morphology of the surface and cross-section of the samples after abla-tion have been analyzed．The results indicate that the SiＲinsulation material would form a hard and dense porcelain layer after abla-tion．Therefore，it has good ablation resistance and good thermal stability but with poor mechanical properties．The BIＲinsulation ma-terial has good ablation performance and excellent comprehensive performance．The density of the NBＲinsulation material is high，but the carbon layer is loose．The EPDM insulation material has low density and excellent mechanical properties，but the carbon layer is easily to be peeled off and hence the ablation performance is poor．
Key words：insulation material；ablation performance；ablative morphology；mechanical properties；thermal performance
0引言
固体火箭发动机燃烧室工作时内部温度达到3000K以上、压强为3 20MPa或者更高，随着高比冲发动机的设计和新型高能推进剂的使用，其温度和压力会进一步提高。为抵抗推进剂燃烧时产生的燃气冲刷，防止壳体达到危及其结构完整性的温度，需要采用内绝热材料对壳体实施保护［1］。因此，内绝热材料应为一种低烧蚀率、力学性能良好、低密度、粘接性能良好的材料［2］。
20世纪60年代，研究较多的是以丁腈橡胶（NBＲ）为基体的绝热材料，但其密度较高，其中加入的石棉纤维填料有致癌作用。80年代后，逐步向低密度、无毒的三元乙丙橡胶（EPDM）绝热材料过渡。近年来，随着新型高性能材料的出现，以硅橡胶（SiＲ）、丁异戊橡胶（BIＲ）、聚膦腈为基体的绝热材料正在逐步发展，聚膦腈主链N、P以单双键交替排列，具有优异的阻燃性能、耐高低温和低发烟量特性，美国于20世纪末已在火箭发动机喷管、内绝热层等上应用了聚膦腈绝热材料，国内目前研究较少。
本文对以NBＲ、EPDM、SiＲ、BIＲ为基体的橡胶绝热材料的力学性能、密度、烧蚀性能、热性能等进行了表征，并对其烧蚀后形貌进行了对比。
1实验
1．1主要原料
NBＲ-1、NBＲ-2绝热材料（自制）、EPDM-1、EPDM-
—
501
—
①收稿日期：2018-10-24；修回日期：2018-11-15。
作者简介：刘辉（1995—），女，硕士生，主要从事复合材料纤维、基体及界面研究。E-mail：1376984214@qq．com
2绝热材料（42所研制）、SiＲ绝热材料（自制）、BIＲ绝热材料（自制）。1．2
样品制备
将各橡胶混炼胶在开炼机上薄通，出片，按各自硫化条件分别硫化成型烧蚀试样（ 30mm ˑ10mm ）和2mm 厚橡胶片，用专用工具在橡胶片上裁取拉伸试样。将烧蚀后试样表面喷金在扫描电子显微镜下观察
其表面形貌；将试样沿厚度方向从中间剖开喷金后，观察其剖面形貌。
1．3性能测试
（1）力学性能：按QJ916—1985测试试样在常温下的力学性能；
（2）烧蚀性能：按GJB323A —1996测试试样烧蚀
性能，
烧蚀时间为20s ；（3）形貌分析：采用扫描电子显微镜观察烧蚀后表面与剖面形貌。
（4）热失重分析：采用TG 表征各绝热材料的热性能，
升温速率10ħ/min ，升温范围为室温 800ħ。2
结果与讨论
2．1
不同类型绝热材料性能
不同类型绝热材料力学性能、密度与烧蚀性能如
表1所示。表1中，
填料量为100质量份橡胶所含填料质量份数，
包括补强填料、工艺助剂等。表1
不同类型绝热材料性能Table 1
Properties of different types of insulation materials 类型增强材料种类填料量线烧蚀率/（mm /s ）质量烧蚀率/（g /s ）拉伸强度/MPa 断裂延伸率/%
密度/（g /cm 3）SiＲ炭纤维、白炭黑80 1400．1360．03493．18611．386BIＲ有机纤维1、白炭黑70 1000．0920．04178．686551．209NBＲ-1石棉纤维、白炭黑50 1100．1360．07546．944641．270NBＲ-2有机纤维2、白炭黑50 1500．2000．086410．502951．500EPDM-1有机纤维3、白炭黑50 800．1120．04206．846001．024EPDM-2
白炭黑、炭黑
30 100
0．216
0．0953
12．5
798
0．960
从表1中可看出，几种绝热材料按拉伸强度排序为EPDM-2＞NBＲ-2＞BIＲ＞NBＲ-1＞EPDM-1＞SiＲ。按密度从低到高排序为EPDM-2＜EPDM-1＜BIＲ＜NBＲ-1＜SiＲ＜NBＲ-2；按耐烧蚀性能排序为BIＲ＞EPDM-1＞SiＲ＞NBＲ-1＞NBＲ-2＞EPDM-2。
SiＲ以Si —O —Si 为主链，Si —C 为特征键，兼具有机和无机性质［3］
。SiＲ中Si —O 键能约370kJ /mol ，
高于碳基橡胶中C —C 键能240kJ /mol ，在高温下不易
断裂分解
［4］
，烧蚀后主链熔融分解，形成熔点较高的
坚硬、
不易脱落的类陶瓷层，起隔热作用，具有良好的耐烧蚀性能，
在各类橡胶中耐热性能最好，但其分子间作用力小、
力学性能差、密度高。BIＲ、NBＲ、EPDM 为碳链橡胶。NBＲ由丁二烯和丙烯腈共聚得到，
含有双键，具有链烯烃的反应活性，分解速率较低，具有优异的耐烧蚀性能，但密度较高，燃烧后会生成有毒副产物，是第一代固体火箭发动机绝热材料基体
［5］
。EPDM 是乙烯、丙烯和非共轭二烯
烃的三元共聚物，
主链饱和，具有优异的耐烧蚀性能和力学性能，
化学稳定性好，在所有橡胶中密度最低，可以有效地减少火箭或导弹的消极质量［6］
。BIＲ由丁二
烯、异戊二烯共聚得到，力学性能优异，低温下能保持
弹性［7］
，
但其烧蚀性能较差，加入有机纤维后，可显著改善其烧蚀性能。碳链橡胶在烧蚀过程中易分解炭化，
形成的炭化层分解温度高，大于3000ħ，分解需要吸收的能量大，
成为耐烧蚀材料主要的吸收能量和耐高温的物质。因此，
提高橡胶烧蚀后残炭率，可提高材料的耐烧蚀性能。纤维在烧蚀冲刷过程中可起到固结
炭层的作用，
在碳链橡胶中加入纤维，可显著提高其耐烧蚀性能。
BIＲ绝热材料中加入的有机纤维1热稳定性和刚
性较高，
使BIＲ绝热材料力学性能和烧蚀性能优异。NBＲ-1绝热材料中加入的石棉纤维为无机矿物纤维，与NBＲ相容性不如有机纤维2，故NBＲ-1拉伸强度比NBＲ-2低，但NBＲ-1密度较低，烧蚀性能优于NBＲ-2。EPDM 是橡胶中密度最低的一种，以其为基体的绝热材料密度较低。EPDM-1绝热材料中加入了有机纤维3，纤维的固炭作用使其烧蚀性能优于EPDM-2，EP-DM-2中未加纤维，减少了橡胶中由于纤维的存在带来的缺陷，
故其力学性能较优异。—
601—2019年2月固体火箭技术第42卷
