纤维增强硼化钛/硅橡胶复合材料的制备与性能研究

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硅橡胶基复合材料因其具有耐热性、抗烧蚀性等优点,常应用于航天发动机热防护系统领域。可瓷化硅橡胶基复合材料以陶瓷填料为功能化组分使其能够低温成瓷、高温防热,达到耐高温的目的。本课题以TiB2填料为陶瓷组分,对硅橡胶复合材料进行改性,探究复合材料的烧蚀性能和陶瓷化机理。本文制备和研究了一种可陶瓷化硅橡胶复合材料,并对该复合材料的可陶瓷化及耐烧蚀性能等进行了分析与讨论,得到以下主要结论:(1)随着TiB2含量的增加,硼化钛/硅橡胶(TiB2/MVSR)复合材料的密度由1.40 g/cm~3增加到1.65 g/cm~3,增加了约17.8%。TiB2/MVSR的拉伸强度随着TiB2含量的增加不断降低,在添加量为30 phr时,拉伸强度为4.78 MPa,断裂伸长率为320%。TG-DTG分析结果可知,800℃时添加40 phr TiB2的TiB2/MVSR复合材料在和N2和空气中的热残留率分别为69.8%和78.1%。随着TiB2含量的增加,TiB2/MVSR复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率呈现出不断降低的趋势。当TiB2的添加量为30 phr时,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.026 mm/s和0.0255 g/s,比不添加TiB2的复合材料分别降低了55.9%和48.0%。(2)TiB2/MVSR复合材料热分解反应过程和陶瓷化反应机制的分析结果可知,TiB2/MVSR在不同的升温速率下分解趋势是一致的,不同升温速率对分解反应开始时间和热分解峰值温度有较大影响,而对热解残留率影响较小。TiB2/MVSR复合材料在陶瓷化转变中发生了十分复杂的热化学反应,在有氧条件下,复合材料各组份均发生了氧化反应,最后形成了含TiO2、Ti-O-Si和B2O3的复相产物。TiB2/MVSR复合材料在烧蚀过程中形成了陶瓷层、热解层和原始层的三层结构,各层之间没有明显的分界。(3)采用短切碳纤维(CF)、氧化铝纤维(AF)、和高硅氧纤维布(VSi F)作为增强材料制备了含纤维的TiB2/MVSR复合材料。当添加量相同时,短切CF、AF和VSi F填充TiB2/MVSR复合材料的拉伸强度分别为4.12 MPa,4.5 MPa和3.02 MPa。三种纤维的加入均降低了TiB2/MVSR复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率,其中AF对复合材料抗烧蚀性的改善最好。添加15 phr AF后,线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.018 mm/s和0.015 g/s,分别降低了30.8%和34.1%。添加AF的复合材料热解后可获得形状完整并具有一定强度的陶瓷产物,弯曲强度达到9.02 MPa。微观结构显示三种纤维在烧蚀产物中缠结穿插,对复合材料的抗冲刷性能有较大的提高。
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