室温硫化硅橡胶外防护材料及成型工艺①

李 洋，孙笑然，伍 政，詹 穹，王 江，陈亚格，彭 琴

(湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003)

0 引言

为满足固体火箭发动机高速飞行需求，可对其外表面进行热防护，以降低气动加热对发动机壳体及控制系统的作用。针对此类发动机外防护领域，普遍采用树脂基涂层材料[1]，以硅橡胶为外防护材料的工作较少[2]。以树脂基涂层材料为外防护材料的一大缺陷是热导率高，隔热效果没有硅橡胶的好。

室温加成型硅橡胶(RTV)是以乙烯基硅油为基础胶，以含氢硅油为交联剂，在铂催化剂存在下进行硅氢加成反应而交联，由于其硫化过程中不产生副产物，收缩率极小，强度高，且可操作时间长。因此，作为热防护材料在20世纪60年代末期，欧美一些国家就将其引入固体火箭发动机绝热。

美国Dow Corning公司研制的DC93-104属于加成型RTV，已成功用于冲压发动机燃烧室内绝热层，其耐烧蚀填料主要有碳化硅、二氧化硅及炭纤维等。1986年，美国海军联合研究所Baldwin[3]研制出一种高乙烯基含量的加成型RTV，用于喷气推进系统燃烧室，其配方组成为40%～45%乙烯基硅油，5%～9%含氢硅油，0.25%～0.75%氯铂酸及50%填料，如SiO2，SiC，炭纤维。航天科工46所研制的加成型RTV配方DTZ-1[4]，含0～40份阻燃剂，0～7份芳纶纤维，1～5份固化剂和适量催化剂，氧乙炔线烧蚀率0.08～0.20 mm/s，拉伸强度3.1～7.0 MPa，伸长率23%～165%，已用于小型燃气发生器药柱的绝热包覆。但将RTV应用于外防护领域的工作还未见报道[5-8]，主要因为其成型工艺一直是一个难题。

本文采用正交试验筛选出性能良好的RTV材料，并通过模压成型工艺，对试验用固体火箭发动机进行了外防护。

1 实验

1.1 试样制备

主要原材料及性能指标见表1。采用开炼工艺制备RTV绝热材料。

表1 主要原材料及性能指标

1.2 性能测试

(1)烧蚀性能：按照GJB 323A—1996测试硫化胶烧蚀性能。

(2)力学性能：按照GB/T 528—2009测试硫化胶力学性能，试样形状为2型，拉伸速率为500 mm/min。

(3)硫化程度：用邵A硬度计测试10 mm厚试件的表面硬度，读取3个硬度值：初始最高硬度、5 s时硬度、10 s时硬度，通过3个硬度的差值估测RTV的硫化程度，分为好、良、差3个等级。根据硫化程度定性评估硫化胶的交联密度。

(4)密度：按照QJ 917A—1997测试硫化胶密度。

2 结果与讨论

2.1 RTV绝热材料研究

为筛选性能良好的RTV绝热材料，在确定基体材料配方(见表2)基础上，采用正交试验研究了耐烧蚀填料(KF、FB、SiC、MgO)、阻燃填料(Al(OH)3)及KF与FB、SiC的交互作用对RTV绝热材料烧蚀、力学性能和硫化程度的影响。

表2 基体材料配方

2.1.1 填料对RTV绝热材料烧蚀性能的作用

正交试验结果(见表3)表明，KF的添加量对RTV绝热材料的线烧蚀率影响最为显著，当KF的添加量从4份增至6份时，线烧蚀率从0.20 mm/s以上降到0.20 mm/s以下，可推测随着KF的增加，RTV绝热材料的烧蚀性能将更好。此外，添加6份KF的RTV绝热材料烧蚀后炭层结构较致密且完整(见图1)，表明随着KF量的增加，烧蚀过程中形成的骨架更为致密结实。

2.1.2 填料对RTV绝热材料力学性能的作用

正交试验结果(见表4)表明，随着KF的增加，RTV绝热材料拉伸强度增幅明显。观察哑铃试件扯断后的断口形貌，有大量丝状物，可推断其为从另一端拔出的KF，表明KF起到了纤维补强作用。目测丝状物长度，与KF原有长度基本一致，表明由于硅橡胶相对弱的剪切力，开炼工艺下KF仍能保持其本体长度。

研究发现，MgO对RTV基体材料的补强效果明显。本研究采用的MgO是轻质氧化镁，其蓬松状态与AS380接近，由于其与AS380均属于氧化物，在补强机理上接近，与基体材料的界面作用大，提高了材料的拉伸强度。

表3 填料对RTV材料线烧蚀率的影响

表4 填料对RTV材料拉伸强度的影响

Al(OH)3、SiC的添加对RTV基体材料的拉伸强度有害。这两种固体填料的本体均为高硬微米颗粒，其与基体材料的界面作用较小，对基体材料主要是粒状充填，使基础胶与交联剂分子间距扩大，交联密度较低，从而拉伸强度变小。

但SiC对RTV绝热材料的扯断伸长率(见表5)有利，而MgO有害，这可能是因SiC与基体材料的相互作用较小，降低了基体材料的交联密度，使其扯断伸长率有一定程度增加，而MgO与基体材料相互作用大，这与其大幅增加RTV绝热材料拉伸强度相印证。

2.1.3 填料对RTV绝热材料硫化程度的作用

正交试验结果(见表6)表明，在控制基础胶配比、白炭黑添加量后，各配方硫化程度均为好。其中MgO对RTV绝热材料的硫化程度影响最大，这可能是其结构与AS380相似，与基础胶分子相互作用大，有利于提高基体材料的交联密度，提高RTV绝热材料的硬度，且硫化程度也相应提高。

2.2 RTV绝热材料外防护成型工艺研究

在RTV绝热材料研究基础上，采用AD-24-KF材料配方对壳体进行外防护，其主要性能见表7。

外防护材料主要为树脂基材料，采用喷涂等工艺成型，但针对硅橡胶的材料特性，本文采用模压工艺(见图2)制备。绝热产品表面光滑(见图3)，并得到了试车结果的肯定，表明RTV材料及相应的模压工艺在发动机外防护领域是可行的。

表5 填料对RTV材料扯断伸长率的影响

表6 填料对RTV材料硫化程度的影响

表7 配方烧蚀和力学性能

3 结论

(1)随着KF的份数增加，RTV材料烧蚀和力学性能均得到显著提高。此外，MgO的添加也能提高RTV绝热材料的力学性能。通过正交试验，确定了性能最佳的RTV绝热材料配方，其线烧蚀率0.199 mm/s，拉伸强度2.84 MPa，扯断伸长率119.9%，基本能满足外防护材料性能要求。

(2)不同于常用树脂基涂层材料，为满足更高隔热要求的发动机外防护需求，本文首先采用低热导率的RTV作为外防护材料，并通过模压工艺，对某固体火箭发动机进行了外防护。试车结果表明，该材料及工艺是可行的。