[发明专利]一种硅橡胶基耐烧蚀绝热复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热防护特种复合材料技术领域，具体地说涉及一种硅橡胶基耐烧蚀绝热复合材料及其制备方法。

背景技术

热防护系统是保证航天运载器安全、快捷、经济飞行的关键技术之一。航天器的热防护包括表面的外热防护和发动机内部的内热防护两个方面。固体火箭发动机的内绝热层是一种保护燃烧室壳体的弹性防热材料，是放在壳体内表面与推进剂之间的绝热防护材料，其主要功能是通过自身的不断分解、烧蚀带走大部分热量以缓解高温燃气温度向壳体的传递速度，避免壳体达到危及其结构完整性的温度，保证发动机的正常工作。内绝热层通常采用隔热性能良好的橡胶弹性材料，具有缓冲壳体和药柱之间的应力传递、密封等作用。耐烧蚀绝热材料在燃烧室高温烧蚀环境下形成炭化层、热解层和基体层三层结构。其中的炭化层直接承受热化学烧蚀、气流剥蚀和粒子侵蚀的共同作用，对保证绝热材料耐烧蚀性能和保护发动机壳体起关键作用。显然，炭化层的组成、微观结构和性能决定了绝热材料的耐烧蚀性能，炭化层的微观结构也是绝热材料烧蚀机理研究的重点。如果绝热复合材料在受热或燃烧时能形成“坚实”的炭化层，残炭率越高，炭化层越致密，炭化层与基体层的结合越牢固，则炭化层在燃气流和粒子冲刷作用下就越不容易被冲刷掉，材料的烧蚀率就越低，热防护能力越高。

目前，应用最为广泛的绝热材料是以三元乙丙橡胶为基体的橡胶耐烧蚀复合材料。但由于三元乙丙橡胶本身极性低，自黏和互黏性能差，在高温和有氧的烧蚀环境下只能形成由纯碳元素构成的炭化层，难以形成致密而牢固的炭化层，抗氧化性较弱，耐烧蚀性能较差，使其应用受到限制。硅橡胶是一种以—Si—O—为主链，其Si原子上可以连接甲基、乙烯基、苯基等有机侧基，分子链兼具无机和有机性质的高分子弹性体。硅橡胶基绝热材料含有较高的Si和O元素，烧蚀条件下能生成抗氧化性强的耐高温陶瓷和SiO₂等物质，很适合于冲压发动机补燃室中的高温富氧烧蚀环境。但硅橡胶的残炭率低于三元乙丙橡胶，且强度较低，难以形成致密的炭化层。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种硅橡胶基耐烧蚀绝热复合材料及其制备方法，目的是使硅橡胶在烧蚀过程中能够形成致密、强度高的炭化层，增强其耐烧蚀性能和抗氧化性，使其能够满足未来航天器速度更快，有效载荷越高的要求。

本发明的硅橡胶基耐烧蚀绝热复合材料，其成分由硅橡胶、耐烧蚀纤维、白炭黑、结构化控制剂、陶瓷化粉、炭化物、偶联剂和硫化剂组成，具体的质量份数配比为：

硅橡胶：100质量份；

白炭黑：10~80质量份；

结构化控制剂：0.5~10质量份；

耐烧蚀纤维：5~30质量份

陶瓷化粉：5~50质量份；

炭化物：1~30质量份；

偶联剂：2~20质量份；

硫化剂：0.5~15质量份；

其成型制品拉伸强度为4～9MPa，断裂伸长率为200～550％，线烧蚀率为0.02～0.1mm/s。

其中，所述的硅橡胶为甲基乙烯基硅橡胶和甲基苯基乙烯基硅橡胶中的一种或两种。

所述的白炭黑为气相法白炭黑和沉淀法白炭黑的一种或两种。

所述的结构化控制剂为羟基硅油和苯基硅油中的一种或两种。

所述的耐烧蚀纤维为碳纤维、芳纶纤维和芳砜纶纤维的一种或两种以上。

所述的陶瓷化粉为氧化铝、氧化钙、氧化锆、氧化镁和氧化钛中的一种或两种以上。

所述的炭化物为纳米石墨粉、石墨烯、纳米炭黑和碳纳米管中的一种或两种以上。

所述的偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH-560）、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）和六甲基二硅氮烷中的一种或两种以上。

所述的硫化剂为过氧化二异丙苯（DCP）、过氧化苯甲酰（BPO）和双二五中的一种或两种以上。

本发明的硅橡胶基耐烧蚀绝热复合材料的制备方法，按照以下步骤进行：

（1）按照硅橡胶100质量份、耐烧蚀纤维5~30质量份、白炭黑10~80质量份、结构化控制剂0.5~10质量份、陶瓷化粉5~50质量份、炭化物1~30质量份、偶联剂2~20质量份和硫化剂0.5~15质量份进行配料；

（2）首先将硅橡胶、白炭黑和结构化控制剂在双辊开炼机上混炼均匀，得到混炼物，再将经偶联剂处理过的陶瓷化粉、炭化物、耐烧蚀纤维与混炼物一起在双辊开炼机上混炼均匀，混炼温度≤50℃，得到混炼硅橡胶；