關(guān)于硅橡膠絕熱材料熱化學(xué)燒蝕特征試驗(yàn)分析的體現(xiàn)

孟琳(河北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院， 河北 石家莊 050000)

關(guān)于硅橡膠絕熱材料熱化學(xué)燒蝕特征試驗(yàn)分析的體現(xiàn)

孟琳(河北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院， 河北 石家莊 050000)

據(jù)相關(guān)研究結(jié)果顯示，利用普通燒蝕試驗(yàn)來(lái)對(duì)硅橡膠絕熱材料實(shí)行檢驗(yàn)，其速度非常慢，大約為0.5m/s，且粒子的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熱化學(xué)的燒蝕試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究燒蝕之后，炭化層與熱解層的表面、側(cè)面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把硅橡膠的絕熱材料所具備的熱化學(xué)的燒蝕特性，和在同樣的試驗(yàn)條件下，三元乙丙的橡膠絕熱材料在燒蝕之后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)行比較，深入分析硅橡膠的絕熱材料在燒蝕建模過(guò)過(guò)程中存在的缺陷。炭化層主要是在絕熱的材料內(nèi)部的高聚物進(jìn)行熱分解以后，殘留下很多疏松的渣層，內(nèi)部會(huì)發(fā)生傳熱以及傳質(zhì)問(wèn)題，同時(shí)伴隨相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。而且，不同絕熱材料間，炭化層結(jié)構(gòu)具有較大差異，結(jié)構(gòu)之間的變形和膨脹情況會(huì)存在很大差別，會(huì)直接影響到多空介質(zhì)內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)性能。且炭化層的結(jié)構(gòu)特征在很大程度上，充分體現(xiàn)出絕熱材料特化學(xué)燒蝕特征，但又直接影響著絕熱材料的燒蝕過(guò)程。鑒于此，本文主要從絕熱裁量熱化學(xué)燒蝕試驗(yàn)、燒蝕試驗(yàn)之后的狀態(tài)展開(kāi)分析，深入探討硅橡膠絕熱材料熱化學(xué)燒蝕特征試驗(yàn)分析的體現(xiàn)。

硅橡膠絕熱材料;熱化學(xué);燒蝕;試驗(yàn)

0 引言

硅橡膠的絕熱材料主要將硅橡膠作為一個(gè)基體，之后滲入纖維、氧化硅、阻燃劑等，在相互混合且調(diào)勻后，進(jìn)行壓制，之后形成彈性比較熱的防護(hù)材料。且發(fā)動(dòng)機(jī)中含有的絕熱層在進(jìn)行燒蝕的時(shí)候，是對(duì)熱化學(xué)進(jìn)行持續(xù)燒蝕、剝離等互相作用的結(jié)果，硅橡膠絕熱材料熱化學(xué)的燒蝕過(guò)程主要指，絕熱的材料需要在高溫的作業(yè)之下實(shí)行熱解，所形成的炭化層以及氧化性進(jìn)行混合且接觸以后，會(huì)形成相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而損失掉大量的質(zhì)量，同時(shí)熱化學(xué)在進(jìn)行燒蝕的時(shí)候，絕熱的材料在經(jīng)過(guò)高溫作用以后，會(huì)形成相應(yīng)的熱化學(xué)試驗(yàn)燒蝕形式。

1 分析硅橡膠的絕熱材料熱化學(xué)燒蝕特征試驗(yàn)

硅橡膠絕熱材料在進(jìn)行完燒蝕試驗(yàn)之后，重點(diǎn)分析主要采用小型的發(fā)電機(jī)，以及鋁含量為1%的復(fù)合推進(jìn)，所試件界面燃?xì)獾乃俣葢?yīng)在0.3～0.48m/S之間，能夠忽視對(duì)絕熱層中粒子形成強(qiáng)烈的侵蝕作用之后，得到純粹的材料燒蝕結(jié)果。推進(jìn)劑的燃燒溫度控制在2700K左右，時(shí)間為9.3S，工作壓強(qiáng)為4.5MPa[1]。

材料試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)在熟悉燒蝕以后，絕熱材料進(jìn)行熱化學(xué)燒蝕的狀態(tài)，重點(diǎn)包括：炭化層斷面、表面特點(diǎn)、燒蝕率等。燒蝕率指試件初期厚度和試驗(yàn)后，試件厚度存在的差距和試驗(yàn)進(jìn)行工作時(shí)間之間的比值，在計(jì)算的時(shí)候，應(yīng)先主測(cè)出試件試驗(yàn)前質(zhì)量以及厚度，同時(shí)對(duì)各試件進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試，將奇異值完全刪除，平均其他測(cè)量值，最后將其當(dāng)成所測(cè)量出的厚度。

2 分析硅橡膠絕熱材料熱化學(xué)燒蝕試驗(yàn)之后的狀態(tài)

硅橡膠絕熱材料熱化學(xué)燒蝕試驗(yàn)之后的狀態(tài)主要分為兩種，一種為宏觀燒蝕狀態(tài)，另一種為細(xì)致燒蝕狀態(tài)。

2.1 宏觀的燒蝕情況

硅橡膠絕熱材料中的絕熱層在進(jìn)行試驗(yàn)后，所顯示出的狀態(tài)，如圖1所示。絕熱材料在進(jìn)行試驗(yàn)后，炭化層的表面具有不均勻的白斑，此斑點(diǎn)為SiO，利用掃描電鏡進(jìn)行掃描之后發(fā)現(xiàn)，是在高溫環(huán)境下遺留的痕跡。而且炭化層的中部出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象，主要原因?yàn)椋旱谝唬瑹峤鈿怏w在溢出的時(shí)候，受到炭化層的阻礙，加大炭化層中的壓力，在強(qiáng)力內(nèi)壓的作用之下使得炭化層出現(xiàn)隆起的情況；第二，在高溫環(huán)境下，SiO大量熔化，直接從從表面向外滲流，使得流動(dòng)性受到很大阻礙，對(duì)于炭化層造成很大影響，這就使炭化層的表面出現(xiàn)隆起。

圖1 燒蝕之后的表面狀態(tài)

如果在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)炭化層的表面沒(méi)有肉眼可以看到的縫隙或是孔洞，但是保有材料的原始表面所壓制出的紋路，且紋路較淺，則表明燃?xì)猱?dāng)中的氧化性的成分主要為CO、H、O以及炭化層的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，消耗較少的質(zhì)量，即單純絕熱材料熱化學(xué)的燒蝕對(duì)于炭化層厚度的作用較小，經(jīng)稱量了解，硅橡膠內(nèi)部的絕熱材料的質(zhì)量燒蝕率只0.013g/(s·cm2)。其中，材料質(zhì)量的消耗主要包含以下方面：

第一，基體材料在實(shí)行熱分解過(guò)程中，所產(chǎn)生的大量氣體會(huì)全部溢出，進(jìn)而損失大量質(zhì)量。

第二，在進(jìn)行燃?xì)庖约盁峤獾臅r(shí)候，產(chǎn)生的大量氣體中，氧化性的成分以及炭化層內(nèi)具有很固體的物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生非常大的氧化反應(yīng)，所產(chǎn)生的大量氣體進(jìn)行完全熱解，且氣體在混合溢以后，會(huì)消耗掉很多質(zhì)量[2]。

將絕熱層垂直面全部切開(kāi)，把絕熱層分為三層，即炭化層、基體層、熱解層，熱解層主要為白色，厚度大約為1.5毫米，炭化層較薄，大約為1.4毫米。試驗(yàn)之后，絕熱層的厚度大約在11-14毫米之間，遠(yuǎn)超過(guò)試驗(yàn)之前的初期厚度。主要因炭化層和熱階層比較疏松多孔，其厚度對(duì)于原先材料所損失的厚度出現(xiàn)大幅度膨脹，最大可以膨到4-6倍，在完全出去絕熱材料的炭化層以及熱解層以后，最后所測(cè)出的炭化層內(nèi)的燒蝕率為0.077mm/s[3]。

2.2 細(xì)觀材料燒蝕情況

主要采用掃描電鏡仔，嚴(yán)格查看且掃描炭化層表面結(jié)構(gòu)、側(cè)面以及熱解層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。炭化層面的燒蝕狀態(tài)如圖2所示，從掃描照片中可以看出，炭化層的表面結(jié)構(gòu)分布很多不同的孔隙，且附著一些白色的絮狀物和小顆粒。利用能進(jìn)行分析可知，白色的附著物內(nèi)的主要元素為O、Si，此外，白色的附著物上還有一些微量的氯元素、鈉元素、鉀元素，這些微量元素主要來(lái)自燃?xì)?，同時(shí)在多個(gè)孔的炭化層面實(shí)行大規(guī)模的擴(kuò)散，可以清楚地推斷白色附著物中的主要成分為氧化硅。

圖2 炭化層表面照片

從上圖可知，炭化層的斷面完全顯現(xiàn)出一個(gè)開(kāi)裂、分層的情況，造成炭化層發(fā)生分層的重要因素，很有可能和炭化層的表面出現(xiàn)很大隆起的因素相關(guān)，其原因是，熱解的氣體在溢出過(guò)程中受到阻礙，這就使得在熔化氧化硅的時(shí)候，所滲出的氣體受到阻礙，且在高溫的環(huán)境之下，炭化層內(nèi)部較強(qiáng)的熱應(yīng)力的作用所致[4]。而且，炭化層內(nèi)部的分層間隙當(dāng)中，能夠看到一些纖維的物質(zhì)，此種纖維物質(zhì)屬于絕熱材料當(dāng)中的用作填充的一些短切纖維，在燒蝕的時(shí)候，纖維能夠大大地強(qiáng)化炭化層，進(jìn)而維持炭化層的厚度，進(jìn)一步延長(zhǎng)高溫的燃?xì)庠谙蚧w的材料進(jìn)行傳熱時(shí)候的路徑，延緩燒蝕過(guò)程。因而，纖維內(nèi)部的含量、長(zhǎng)度、分布等情況，在一定程度上會(huì)直接影響到整個(gè)材料的燒蝕性能。

針對(duì)完全剝除出的炭化層，熱解層內(nèi)部大部分都為白色粉末，直接粘附在整個(gè)碳化層背面或是側(cè)面，且一小部分的粉末直接粘附在碳化層基體側(cè)面或是表面。而熱解層中的粉末大部分都是纖維、棉絮狀或是顆粒狀等物質(zhì)構(gòu)成，經(jīng)過(guò)能譜分析可知，物質(zhì)中含有的主要元素為O、Si，充分表明，在絕熱材料熱化學(xué)燒蝕中，熱解層內(nèi)的溫度盡管超過(guò)橡膠絕熱材料基體自身的熱解溫度，但是不會(huì)超出SiO所熔化的溫度，這就使得一定量的SiO不會(huì)被熔化，一直都以固態(tài)的形式存在，因而，不會(huì)造成熱解層固結(jié)，纖維的強(qiáng)化作用也很難較好地體現(xiàn)，這就使得絕熱的材料內(nèi)部的熱解層很易發(fā)生松散，很難完整將其分離出?？傊?，和以上絕熱材料炭化層內(nèi)部的斷面結(jié)構(gòu)比較，充分顯示出整個(gè)炭化層內(nèi)的溫度均高于氧化硅溶化溫度，并且在熔化氧化硅的時(shí)候，將熱解層內(nèi)剩余物與纖維融合在一起，在很大程度上能夠大大地強(qiáng)化絕熱材料炭化層內(nèi)的強(qiáng)度。

2.3 三元乙丙材料

在相同試驗(yàn)條件之下，三元乙丙絕熱材料層進(jìn)行的熱化學(xué)的燒蝕特征比較，炭化層的燒蝕率與質(zhì)量的燒蝕率差距非常大，且在熱化學(xué)燒蝕的現(xiàn)象中存在很大差異。

首先，材料在燒蝕以后，三元乙丙材料內(nèi)部的熱解層較薄，但硅橡膠內(nèi)部的絕熱材料存在一個(gè)很大的特點(diǎn)，即材料內(nèi)部有一個(gè)厚度與炭化層的材料厚度差異不大的一個(gè)熱解層，因而，在計(jì)算燒蝕硅橡膠絕熱材料時(shí)，不能應(yīng)用忽略絕熱材料的熱解層內(nèi)存在的相關(guān)模型；

其次，硅橡膠絕熱的材料內(nèi)部的炭化層中的孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且混亂，未呈現(xiàn)一個(gè)比較顯著的上密、下疏，但是具有非常明顯的分層，熱解層內(nèi)部和炭化層內(nèi)部的狀態(tài)也具有一定的差異，同時(shí)氧化硅的熔化以及對(duì)于炭化層內(nèi)部的固結(jié)作用非常顯著。在這種情況之下，不能夠直接使用三元乙丙材料的燒蝕模型，氧化硅進(jìn)行熔化時(shí)所引起到的固結(jié)作用難以忽略。

硅橡膠絕熱層的材料與在相同燒蝕環(huán)境之下，三元乙丙絕熱材料的燒蝕狀況存在相似之處，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

第一，在流動(dòng)速度、燒蝕溫度一致的情況之下，炭化層面會(huì)慢慢形成一些被壓制過(guò)的紋路，并且燃?xì)鈨?nèi)氧化性成分，會(huì)直接影響到整個(gè)炭化層表面的氧化作用，使得氧化消耗作用漸漸減弱，同時(shí)在溫度較好的環(huán)境之下，絕熱材料的橡膠基體通過(guò)熱解、填材相變，對(duì)燒蝕率造成很大影響。

第二，所形成的熱解層的厚度及炭化層的厚度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)橡膠材料進(jìn)行熱化學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中所損失的相關(guān)厚度，存在膨脹的現(xiàn)象，對(duì)比之下，絕熱材料在膨脹之后呈現(xiàn)的現(xiàn)象非常明顯，且在計(jì)算燒蝕率的過(guò)程中，必須要仔細(xì)地查看燒蝕過(guò)程發(fā)生的膨脹情況對(duì)整個(gè)傳熱所產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，通過(guò)以上分析，了解硅橡膠絕熱材料在進(jìn)行整個(gè)燒蝕試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，將燃?xì)獾臏囟瓤刂圃?500K左右，工作壓強(qiáng)控制在4.55Mpa左右，燃?xì)饬鲃?dòng)的速度控制在0.45m/s左右，在這種試驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程中，所計(jì)算出的燒蝕率是0.07mm/ s。而硅橡膠絕熱材料中的絕熱層進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)后，具有一個(gè)比較顯著的熱解層，該熱解層內(nèi)部的厚度和炭化層相比及其相似，而且該炭化層的孔隙結(jié)構(gòu)較為混亂，部分結(jié)構(gòu)發(fā)生開(kāi)裂分層的情況，在炭化層的表面、內(nèi)部及熱解層中，具有不同環(huán)境狀態(tài)下的SiO，且炭化層表明還殘留之前內(nèi)壓制的較多痕跡，與熱解層內(nèi)部的厚度進(jìn)行對(duì)比，原材料在使用過(guò)程中所損失的厚度會(huì)出現(xiàn)很大的膨脹。磁瓦，在燒蝕建模硅橡膠的絕熱材料的時(shí)候，不能應(yīng)用把熱解層當(dāng)作一個(gè)面兩層的燒蝕模型，需綜合考慮SiO熔化相變時(shí)，對(duì)于炭化層固結(jié)作用過(guò)程及對(duì)熱解過(guò)程產(chǎn)生氣體的溢流造成的影響。

[1]王書(shū)賢.氣相環(huán)境下EPDM絕熱材料雙區(qū)體燒蝕模型[J].推進(jìn)技術(shù),2016.

[2]王書(shū)賢.絕熱材料炭化層孔隙結(jié)構(gòu)及燒蝕氣體狀態(tài)分析[J].兵器材料科學(xué)與工程,2015.

[3]周傳健.苯基硅橡膠/硅氮陶瓷前驅(qū)體復(fù)合絕熱層燒蝕機(jī)理[J].固體火箭技術(shù),2015.

[4]徐義華.粒子侵蝕模型及粒子侵蝕下絕熱材料燒蝕數(shù)值計(jì)算[J].固體火箭技術(shù),2015.