關于硅橡膠絕熱材料熱化學燒蝕特征試驗分析的體現

孟琳(河北省產品質量監督檢驗院， 河北 石家莊 050000)

關于硅橡膠絕熱材料熱化學燒蝕特征試驗分析的體現

孟琳(河北省產品質量監督檢驗院， 河北 石家莊 050000)

據相關研究結果顯示，利用普通燒蝕試驗來對硅橡膠絕熱材料實行檢驗，其速度非常慢，大約為0.5m/s，且粒子的含量遠遠低于熱化學的燒蝕試驗。經過長期的試驗研究燒蝕之后，炭化層與熱解層的表面、側面結構特點，把硅橡膠的絕熱材料所具備的熱化學的燒蝕特性，和在同樣的試驗條件下，三元乙丙的橡膠絕熱材料在燒蝕之后的結構特點實行比較，深入分析硅橡膠的絕熱材料在燒蝕建模過過程中存在的缺陷。炭化層主要是在絕熱的材料內部的高聚物進行熱分解以后，殘留下很多疏松的渣層，內部會發生傳熱以及傳質問題，同時伴隨相關的化學反應。而且，不同絕熱材料間，炭化層結構具有較大差異，結構之間的變形和膨脹情況會存在很大差別，會直接影響到多空介質內部的傳熱、傳質性能。且炭化層的結構特征在很大程度上，充分體現出絕熱材料特化學燒蝕特征，但又直接影響著絕熱材料的燒蝕過程。鑒于此，本文主要從絕熱裁量熱化學燒蝕試驗、燒蝕試驗之后的狀態展開分析，深入探討硅橡膠絕熱材料熱化學燒蝕特征試驗分析的體現。

硅橡膠絕熱材料;熱化學;燒蝕;試驗

0 引言

硅橡膠的絕熱材料主要將硅橡膠作為一個基體，之后滲入纖維、氧化硅、阻燃劑等，在相互混合且調勻后，進行壓制，之后形成彈性比較熱的防護材料。且發動機中含有的絕熱層在進行燒蝕的時候，是對熱化學進行持續燒蝕、剝離等互相作用的結果，硅橡膠絕熱材料熱化學的燒蝕過程主要指，絕熱的材料需要在高溫的作業之下實行熱解，所形成的炭化層以及氧化性進行混合且接觸以后，會形成相應的化學反應，進而損失掉大量的質量，同時熱化學在進行燒蝕的時候，絕熱的材料在經過高溫作用以后，會形成相應的熱化學試驗燒蝕形式。

1 分析硅橡膠的絕熱材料熱化學燒蝕特征試驗

硅橡膠絕熱材料在進行完燒蝕試驗之后，重點分析主要采用小型的發電機，以及鋁含量為1%的復合推進，所試件界面燃氣的速度應在0.3～0.48m/S之間，能夠忽視對絕熱層中粒子形成強烈的侵蝕作用之后，得到純粹的材料燒蝕結果。推進劑的燃燒溫度控制在2700K左右，時間為9.3S，工作壓強為4.5MPa[1]。

材料試驗過程應在熟悉燒蝕以后，絕熱材料進行熱化學燒蝕的狀態，重點包括：炭化層斷面、表面特點、燒蝕率等。燒蝕率指試件初期厚度和試驗后，試件厚度存在的差距和試驗進行工作時間之間的比值，在計算的時候，應先主測出試件試驗前質量以及厚度，同時對各試件進行多點測試，將奇異值完全刪除，平均其他測量值，最后將其當成所測量出的厚度。

2 分析硅橡膠絕熱材料熱化學燒蝕試驗之后的狀態

硅橡膠絕熱材料熱化學燒蝕試驗之后的狀態主要分為兩種，一種為宏觀燒蝕狀態，另一種為細致燒蝕狀態。

2.1 宏觀的燒蝕情況

硅橡膠絕熱材料中的絕熱層在進行試驗后，所顯示出的狀態，如圖1所示。絕熱材料在進行試驗后，炭化層的表面具有不均勻的白斑，此斑點為SiO，利用掃描電鏡進行掃描之后發現，是在高溫環境下遺留的痕跡。而且炭化層的中部出現隆起的現象，主要原因為：第一，熱解氣體在溢出的時候，受到炭化層的阻礙，加大炭化層中的壓力，在強力內壓的作用之下使得炭化層出現隆起的情況；第二，在高溫環境下，SiO大量熔化，直接從從表面向外滲流，使得流動性受到很大阻礙，對于炭化層造成很大影響，這就使炭化層的表面出現隆起。

圖1 燒蝕之后的表面狀態

如果在試驗過程中，發現炭化層的表面沒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，則表明燃氣當中的氧化性的成分主要為CO、H、O以及炭化層的表面發生化學反應時，消耗較少的質量，即單純絕熱材料熱化學的燒蝕對于炭化層厚度的作用較小，經稱量了解，硅橡膠內部的絕熱材料的質量燒蝕率只0.013g/(s·cm2)。其中，材料質量的消耗主要包含以下方面：

第一，基體材料在實行熱分解過程中，所產生的大量氣體會全部溢出，進而損失大量質量。

第二，在進行燃氣以及熱解的時候，產生的大量氣體中，氧化性的成分以及炭化層內具有很固體的物質，這些物質會產生非常大的氧化反應，所產生的大量氣體進行完全熱解，且氣體在混合溢以后，會消耗掉很多質量[2]。

將絕熱層垂直面全部切開，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。試驗之后，絕熱層的厚度大約在11-14毫米之間，遠超過試驗之前的初期厚度。主要因炭化層和熱階層比較疏松多孔，其厚度對于原先材料所損失的厚度出現大幅度膨脹，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，最后所測出的炭化層內的燒蝕率為0.077mm/s[3]。

2.2 細觀材料燒蝕情況

主要采用掃描電鏡仔，嚴格查看且掃描炭化層表面結構、側面以及熱解層內部的結構。炭化層面的燒蝕狀態如圖2所示，從掃描照片中可以看出，炭化層的表面結構分布很多不同的孔隙，且附著一些白色的絮狀物和小顆粒。利用能進行分析可知，白色的附著物內的主要元素為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自燃氣，同時在多個孔的炭化層面實行大規模的擴散，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出一個開裂、分層的情況，造成炭化層發生分層的重要因素，很有可能和炭化層的表面出現很大隆起的因素相關，其原因是，熱解的氣體在溢出過程中受到阻礙，這就使得在熔化氧化硅的時候，所滲出的氣體受到阻礙，且在高溫的環境之下，炭化層內部較強的熱應力的作用所致[4]。而且，炭化層內部的分層間隙當中，能夠看到一些纖維的物質，此種纖維物質屬于絕熱材料當中的用作填充的一些短切纖維，在燒蝕的時候，纖維能夠大大地強化炭化層，進而維持炭化層的厚度，進一步延長高溫的燃氣在向基體的材料進行傳熱時候的路徑，延緩燒蝕過程。因而，纖維內部的含量、長度、分布等情況，在一定程度上會直接影響到整個材料的燒蝕性能。

針對完全剝除出的炭化層，熱解層內部大部分都為白色粉末，直接粘附在整個碳化層背面或是側面，且一小部分的粉末直接粘附在碳化層基體側面或是表面。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構成，經過能譜分析可知，物質中含有的主要元素為O、Si，充分表明，在絕熱材料熱化學燒蝕中，熱解層內的溫度盡管超過橡膠絕熱材料基體自身的熱解溫度，但是不會超出SiO所熔化的溫度，這就使得一定量的SiO不會被熔化，一直都以固態的形式存在，因而，不會造成熱解層固結，纖維的強化作用也很難較好地體現，這就使得絕熱的材料內部的熱解層很易發生松散，很難完整將其分離出。總之，和以上絕熱材料炭化層內部的斷面結構比較，充分顯示出整個炭化層內的溫度均高于氧化硅溶化溫度，并且在熔化氧化硅的時候，將熱解層內剩余物與纖維融合在一起，在很大程度上能夠大大地強化絕熱材料炭化層內的強度。

2.3 三元乙丙材料

在相同試驗條件之下，三元乙丙絕熱材料層進行的熱化學的燒蝕特征比較，炭化層的燒蝕率與質量的燒蝕率差距非常大，且在熱化學燒蝕的現象中存在很大差異。

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

其次，硅橡膠絕熱的材料內部的炭化層中的孔隙結構非常復雜且混亂，未呈現一個比較顯著的上密、下疏，但是具有非常明顯的分層，熱解層內部和炭化層內部的狀態也具有一定的差異，同時氧化硅的熔化以及對于炭化層內部的固結作用非常顯著。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，氧化硅進行熔化時所引起到的固結作用難以忽略。

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

第一，在流動速度、燒蝕溫度一致的情況之下，炭化層面會慢慢形成一些被壓制過的紋路，并且燃氣內氧化性成分，會直接影響到整個炭化層表面的氧化作用，使得氧化消耗作用漸漸減弱，同時在溫度較好的環境之下，絕熱材料的橡膠基體通過熱解、填材相變，對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遠遠超過橡膠材料進行熱化學試驗過程中所損失的相關厚度，存在膨脹的現象，對比之下，絕熱材料在膨脹之后呈現的現象非常明顯，且在計算燒蝕率的過程中，必須要仔細地查看燒蝕過程發生的膨脹情況對整個傳熱所產生的影響。

3 結語

總而言之，通過以上分析，了解硅橡膠絕熱材料在進行整個燒蝕試驗過程當中，將燃氣的溫度控制在2500K左右，工作壓強控制在4.55Mpa左右，燃氣流動的速度控制在0.45m/s左右，在這種試驗實踐過程中，所計算出的燒蝕率是0.07mm/ s。而硅橡膠絕熱材料中的絕熱層進行相應的試驗后，具有一個比較顯著的熱解層，該熱解層內部的厚度和炭化層相比及其相似，而且該炭化層的孔隙結構較為混亂，部分結構發生開裂分層的情況，在炭化層的表面、內部及熱解層中，具有不同環境狀態下的SiO，且炭化層表明還殘留之前內壓制的較多痕跡，與熱解層內部的厚度進行對比，原材料在使用過程中所損失的厚度會出現很大的膨脹。磁瓦，在燒蝕建模硅橡膠的絕熱材料的時候，不能應用把熱解層當作一個面兩層的燒蝕模型，需綜合考慮SiO熔化相變時，對于炭化層固結作用過程及對熱解過程產生氣體的溢流造成的影響。

[1]王書賢.氣相環境下EPDM絕熱材料雙區體燒蝕模型[J].推進技術,2016.

[2]王書賢.絕熱材料炭化層孔隙結構及燒蝕氣體狀態分析[J].兵器材料科學與工程,2015.

[3]周傳健.苯基硅橡膠/硅氮陶瓷前驅體復合絕熱層燒蝕機理[J].固體火箭技術,2015.

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