贺大鹏，许涛

(海军装备部，陕西 西安 710025)

固体火箭发动机壳体内绝热层材料是固体火箭发动机必不可少的重要组成部分，是介于发动机壳体与固体推进剂之间的一层隔热、耐烧蚀材料。它的重要作用是通过自身的不断消融、分解带走大部分热量以减缓高温燃气向壳体的传递速度，从而在发动机点火工作过程中保护壳体结构的完整性，保护发动机壳体在高温、高压燃气下的正常工作[1]。

目前，发动机绝热层的成型方法多采用手工铺贴法，但该方法存在劳动强度大，工艺质量不稳定、成型部件厚度公差偏大、施工条件恶劣等不足。

为了克服传统手工铺贴法的弊端，本文系统地研究了以自动化程度较高的绝热层缠绕成型技术进行，采用优选得到的橡胶绝热层复合材料及优化的缠绕成型工艺参数完全可以实现发动机内绝热层的缠绕成型。

1 研究过程

1.1 发动机缠绕用绝热层材料筛选及实验方案研究

绝热层作为固体火箭发动机结构的一部分，其性能的优劣对发动机的整体性能有相当大的影响。因此，对发动机缠绕用绝热层在力学性能、热学性能、工艺性能等方面均具有较高的要求：

1.1.1 密度

绝热层是发动机消极重量的一个重要部分，额外的消极质量会减损火箭的性能。因此，绝热层的密度要求尽可能低。

1.1.2 热学性能

材料的分解速度和烧蚀速率要低，这是烧蚀材料一个重要的性能指标。

绝热层的导热系数和热扩散系数应尽可能小，而比热容应大。使发动机在工作过程中能有效地防止热流穿过绝热层向燃烧室壁传递，使燃烧室壳体不至于过热，失去强度或损坏壳体中对热敏感的电子元器件。

1.1.3 力学性能

绝热材料应具有良好的力学性能和足够的延伸率，以适应发动机在推进剂浇铸与固化、储存、运输及飞行过程中的各种应力作用和发动机增压、温度变化所产生的应变需要。

1.1.4 工艺性能

发动机缠绕用绝热层材料应具备良好的工艺性能。

根据上述要求，实验中选用两种方案：

方案一：以单独的9621丁腈橡胶作为发动机的内绝热层，研究其各项性能。

方案二：以9621橡胶为基体橡胶，同时用耐热性能优良、密度较低、抗烧蚀性能良好的锦纶增强布进行增强，研究其各项性能，并与方案一进行对比。

1.2 橡胶基体与锦纶增强布复合工艺研究

按照9621丁腈橡胶/预浸锦纶布/9621丁腈橡胶的铺层方式，在平板硫化机上进行二者之间的复合。以温度、时间、压力为复合工艺参数，选取不同的工艺参数，确定合理的橡胶基体与预浸锦纶布的复合工艺，并优化其复合工艺参数。

1.3 橡胶基体与预浸锦纶布黏接性能及其剥离性能研究

测试橡胶基体与锦纶布的黏接性能及其剥离性能，以评价二者之间的匹配性。

1.4 性能测试

1.4.1 绝热层拉伸性能测试

绝热层拉伸性能测试按GB528—82进行。

1.4.2 密度测试

密度性能测试按GB533—81进行。

1.4.3 织物断裂强力测试

织物断裂强力测试按GB/T3923.1—1997 进行。

1.4.4 剥离性能测试

剥离性能测试按GB2792—81进行。

1.4.5 两板剪切性能测试

两板剪切性能测试按HG4-853-81进行。

1.4.6 氧乙炔烧蚀率测试

氧乙炔烧蚀率测试按GJB323—87进行。

1.4.7 微观性能测试

利用JSM-6460LV电子显微镜观察绝热层材料的微观断裂形貌。

2 结果与分析

2.1 9621橡胶绝热层性能研究

2.1.1 9621橡胶基体力学性能及热性能研究

实验中测试了9621丁腈橡胶的力学性能、三个热常数及耐烧蚀性能，分别见表1～3。

表1 9621丁腈橡胶的力学性能及密度

表2 9621丁腈橡胶三个热常数

表3 9621橡胶耐烧蚀性能

从表1～3中可以看出：

（1）9621丁腈橡胶具有较低的密度和较低的氧乙炔烧蚀率；

（2）9621橡胶具有较小的导热系数，属于隔热性能较好的材料；

（3）9621橡胶的力学性能偏低。

2.1.2 缠绕筒段用9621橡胶绝热层研究

连续纤维缠绕成型是在控制纤维张力和预定线型的条件下，将连续的纤维粗砂浸渍树脂胶液、连续地缠绕在相应于内腔尺寸的芯模或内衬上，然后在室温或加热条件下使之固化制成一定形状制品的方法。这种缠绕工艺机械化程度高，而且制品质量好，生产效率高，已在复合材料成型加工中大量应用。但橡胶绝热层与连续长纤维复合材料缠绕成型时有很大区别。前者的拉伸强度低、延伸率高，它不能承受后者缠绕成型时的较大张力，具有自身独特的缠绕规律：

首先，必须将绝热层制成具有一定宽度和厚度取向性高，且能承受适当拉力、外观平整、连续不断的胶带。其次，胶带必需具有良好的自黏性，两胶带之间要黏合牢固，尽量避免气孔、脱黏现象的存在。第三，要能缠绕出满足一定尺寸要求的形状；最后，制品的性能要达到一定要求。

采用一定的缠绕工艺，制备了Φ150 mm 9621橡胶绝热层筒段。其硫化后的图片如图1、图2。

可以看出，9621橡胶绝热层表面存在一定程度的气孔、皱褶、不密实等缺陷，这是由于绝热层自身强度较低，缠绕过程中无法施加张力的原因所致。这与9621丁腈橡胶本身的力学性能不足有关。因此，为满足发动机内绝热层缠绕工艺需求，应对其做进一步的增强改性。

图1 硫化后实物

图2 硫化后表面电镜照片

2.2 9621橡胶-锦纶布绝热层复合材料研究

2.2.1 锦纶增强布性能研究

实验中采用加入锦纶布的方法来提高其机械强度，从而保证后续橡胶绝热层缠绕时施加足够的张力，绝热层不至于扯断且变形适当。

锦纶增强布的基本性能见表4。

表4 锦纶增强布的基本性能

由表4可见，锦纶增强布自身具有良好的抗张强度。

2.2.2 橡胶基体与预浸锦纶布复合工艺研究

橡胶基体与预浸锦纶布较佳的复合工艺，是确保复合后的橡胶基体处于“预硫化”状态，这样一方面橡胶基体可以被增强，力学性能得到大幅提高；另一方面橡胶基体与预浸锦纶布复合后二者仍具有良好的弹性，而不至于使材料过刚、过硬。

选取不同的复合工艺制作试件如表5。

表5 不同复合工艺的选取

橡胶基体与预浸锦纶布复合后测得的绝热层复合材料力学性能如表6。

表6 不同复合工艺的绝热层复合材料性能

由表5、6可以看出，1#、2#、3#的拉伸强度略有所提高，但扯断延伸率明显下降。这可能是由于橡胶基体与锦纶布在复合过程中，绝热层材料的刚性将随着温度、时间、压力的增大而增强，提高了材料的拉伸强度，扯断延伸率会有一定程度的下降。为了满足后续的缠绕工艺需求，本实验中选取1#作为橡胶基体与锦纶布较佳的复合工艺。

2.2.3 橡胶基体与预浸锦纶布黏接性能及其剥离性能研究

缠绕成型绝热层材料较重要的一个技术指标是自黏性。自黏性好的绝热层，缠绕时两个胶带间的黏合牢固，材料的整体性强。否则，就会有脱黏现象存在，影响绝热层材料的物理性能及烧蚀性能。

目前，对绝热层自黏性的测试无标准可以执行。本研究中对绝热层自黏性的评价主要通过剥离力及两板剪切强度的大小来衡量。实验中采用1#复合工艺制得的绝热层复合材料的剥离力及两板剪切性能结果见表7。

表7 绝热层复合材料的剥离力及两板剪切性能

由以上实验结果可以看出，经1#复合工艺制得的绝热层复合材料具有良好的剥离强度和两板剪切强度，这表明改性后绝热层材料的自黏性良好。

2.2.4 绝热层复合材料烧蚀性能研究

绝热层复合材料的烧蚀性能见表8。

由表8可以看出，橡胶基体经锦纶布增强后，烧蚀速率较未增强前稍有所上升，但仍处于较好的烧蚀范围。

表8 绝热层复合材料耐烧蚀性能

2.2.5 缠绕用绝热层复合材料研究

2.2.5.1 缠绕筒段用Φ150 mm绝热层复合材料研究

为了与9621橡胶绝热层筒段工艺进行对比，实验中首先采用和方案一相同的绝热层筒段缠绕成型方法，其实物照片见图3。

图3 Φ150 mm绝热层复合材料筒段硫化后照片

与方案一对比，在采用相同的筒段缠绕方法时，由于改性后的橡胶绝热层力学性能大幅提高，因此，在橡胶绝热层筒段缠绕过程中可以施加足够的张力而使其变得致密。

2.2.5.2 缠绕筒段+封头用Φ150 mm绝热层复合材料研究

缠绕筒段+封头用Φ150 mm绝热层复合材料实物见图4。

图4 Φ150 mm绝热层复合材料筒段+封头实物照片

采用不同工艺缠绕成型的绝热层复合材料制品的性能，如表9所示。

由表9可以看出，采用五切点的缠绕绝热层复合材料具有良好的力学性能及耐烧蚀性能。缠绕制品由于其本身成型的工艺特点，可能存在细小的蜂窝结构，但这种蜂窝结构并未对绝热层的物理性能造成损害，表明该缠绕工艺对绝热层的成型是完全可行的。

表9 缠绕取样的硫化后绝热复合材料材料制品性能

3 结论

（1）尽管9621丁腈橡胶具有较低的密度和氧乙炔烧蚀率，但由于其自身强度较低，不能较好的满足发动机内绝热层缠绕工艺的需求，因此，实验中对其进行了增强改性。

（2）9621橡胶基体经锦纶布增强改性后的绝热层复合材料，烧蚀速率有所增加，但9621橡胶-锦纶布绝热层复合材料拉伸强度大幅提高，且具有良好的剥离强度和剪切性能，能够满足内绝热层缠绕工艺的需要。

（3）采用五切点工艺的缠绕绝热层复合材料具有较好的力学性能及耐烧蚀性能。

[1] 白湘云等，耐烧蚀填料对三元乙丙橡胶内绝热材料性能的影响，宇航材料工艺，2004，4：25.