三元乙丙内绝热材料及其性能研究

作     者：张平伟 

作者单位：国防科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张炜

授予年度：2009年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：EPDM 内绝热材料 热分析 激光烧蚀 动力学方程 

摘      要：EPDM内绝热材料是以EPDM为基体、添加耐烧蚀填料、并与其他助剂混炼后硫化而成的一种炭化型抗烧蚀材料,具有密度低、延伸率高及抗烧蚀性能好等优点,广泛应用于固体火箭发动机。因此,开展EPDM内绝热材料及其性能研究,对探索EPDM内绝热材料烧蚀机理具有重要的意义。 考察了硫化剂和石蜡油对EPDM内绝热材料性能的影响,确定了二者的最佳用量;采用正交试验法研究了白炭黑、芳纶及硼酚醛树脂对内绝热材料性能的贡献,并确定了三种组分共用时的最佳组合。 分别考察了阻燃剂APP、复合阻燃剂及八乙烯基POSS对EPDM内绝热材料性能的影响,在此基础上,研究了硼酸锌与APP和复合阻燃剂的协同效应。结果表明:这三种阻燃剂单独使用时的最佳用量均为20份;5份的硼酸锌与APP和复合阻燃剂具有很好的协同阻燃效应。综合考虑EPDM内绝热材料的工艺、力学和抗烧蚀性能,确定了EPDM内绝热材料的最佳配方:EPDM100份、石蜡油5份、白炭黑30份、芳纶15份、硼酚醛树脂20份、八乙烯基POSS20份、硫化剂6份。此配方下内绝热材料最大拉伸强度为5.82MPa,断裂延伸率为482.3%,线烧蚀率为0.0410 mm·s-1,炭化速率为0.121mm·s-1。 通过热重和高压差示扫描量热试验,研究了升温速率和压强变化对EPDM内绝热材料单组分(EPDM、芳纶、硼酚醛树脂及十溴联苯醚)对热分解性能的影响,在此基础上,研究了白炭黑、芳纶、硼酚醛树脂和复合阻燃剂对EPDM内绝热材料热分解性能的影响。结果表明:升温速率变大,EPDM、芳纶及硼酚醛树脂的起始分解温度变高,残炭率也增加;压强增大,EPDM、芳纶及硼酚醛树脂的分解峰温升高,反应热变大;白炭黑、芳纶及硼酚醛树脂提高了EPDM内绝热材料残炭率,改变了EPDM内绝热材料的热分解过程。采用Coats-Redfern法获得了常压下EPDM内绝热材料及其主要组分的热分解动力学方程。 采用激光作热源对EPDM内绝热材料及其炭化层进行了热烧蚀试验,考察了激光参数对EPDM内绝热材料烧蚀特性及炭化层热化学烧蚀特性的影响。结果表明,功率密度一定,随着辐照时间增加,EPDM内绝热材料烧蚀性能参数先变小后逐渐稳定;辐照时间一定,随功率密度增加,质量烧蚀率、线烧蚀率变大,但热烧蚀率变小。依据动力学方程,获得了EPDM内绝热材料激光烧蚀反应和炭化层激光热化学烧蚀反应的动力学参数。最后通过对激光烧蚀凝聚相产物进行分析,研究了激光烧蚀后EPDM内绝热材料结构及元素组成。