董一民， 尹正帥， 李 勇

(1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院,沈陽(yáng) 110819; 2.湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司,湖北 孝感 432000)

硅橡膠/雙酚A-苯胺型苯并噁嗪樹(shù)脂耐燒蝕復(fù)合材料的制備與燒蝕結(jié)構(gòu)的研究

董一民1， 尹正帥2， 李 勇1

(1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院,沈陽(yáng) 110819; 2.湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司,湖北 孝感 432000)

苯并噁嗪樹(shù)脂具有優(yōu)異的成炭和抗高溫氧化性能，是新一代的耐燒蝕樹(shù)脂。以雙酚A-苯胺型苯并噁嗪樹(shù)脂為耐燒蝕樹(shù)脂，采用1H-NMR、DSC和轉(zhuǎn)矩流變儀研究其成環(huán)率和加工性能；以硅橡膠為耐燒蝕基體，采用熔融共混方法制備了硅橡膠苯并噁嗪樹(shù)脂耐燒蝕復(fù)合材料。進(jìn)行力學(xué)和氧乙炔焰燒蝕檢測(cè)，利用FT-IR、Raman和SEM研究復(fù)合材料綜合性能和燒蝕結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：苯并噁嗪樹(shù)脂能夠明顯提高硅橡膠復(fù)合材料的耐燒蝕性能，當(dāng)樹(shù)脂添加量為20份時(shí)，復(fù)合材料具有較好的耐燒蝕和力學(xué)性能；該復(fù)合材料經(jīng)過(guò)氧乙炔焰燒蝕后，燒蝕層形成表面陶瓷層、裂解炭化層和基體層。表面陶瓷層主要由SiO2，SiC和C組成，裂解炭化層的主要組由C，SiO2，SiC以及炭化徹底的碳和炭化不完全的有機(jī)結(jié)構(gòu)組成。

硅橡膠；苯并噁嗪樹(shù)脂；耐燒蝕復(fù)合材料；制備；燒蝕結(jié)構(gòu)

隨著航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，構(gòu)造簡(jiǎn)單、推重比大的固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)得到大力發(fā)展和應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部補(bǔ)燃室產(chǎn)生的高溫、富氧和高壓的環(huán)境，對(duì)其絕熱層材料的性能提出了嚴(yán)峻的要求。以丁腈橡膠(NBR)和三元乙丙橡膠(EPDM)為基體的傳統(tǒng)柔性絕熱層材料，由于其較差的抗高溫氧化性而難以滿(mǎn)足沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室中的高溫、富氧的苛刻環(huán)境，因此以硅橡膠為代表新一代柔性耐燒蝕材料就成為研究熱點(diǎn)[1-4]。從Dow Corning公司開(kāi)創(chuàng)的硅橡膠/SiC/碳纖維體系的DC93-104型硅橡膠耐燒蝕復(fù)合材料開(kāi)始[5]，為提高其性能?chē)?guó)內(nèi)外持續(xù)對(duì)其進(jìn)行了復(fù)合改性研究。如Eung等[6]的硅橡膠/SiC/碳纖維體系，Yang等[7]的硅橡膠/ZrO2(ZrC)/碳纖維體系以及Zhou等[8]的硅橡膠/CaCO3/陶瓷纖維類(lèi)體系等。上述復(fù)合改性方法主要是以硅橡膠為基體，向其中摻混無(wú)機(jī)填料和耐燒蝕纖維類(lèi)物質(zhì)，雖然能在一定程度提高了耐燒蝕性能，但由于復(fù)合材料系統(tǒng)中含碳量低、導(dǎo)熱系數(shù)大等特點(diǎn)，在燒蝕過(guò)程中難以形成寬厚炭化層而使得其難以達(dá)到更高的耐燒蝕性能。因此提高成炭率是硅橡膠基耐燒蝕復(fù)合材料改性研究的一個(gè)重要方向。其中摻混成炭率高的酚醛類(lèi)樹(shù)脂作為耐燒蝕樹(shù)脂又是最有效的方法之一。苯并噁嗪樹(shù)脂是由酚、胺和醛通過(guò)Mannich反應(yīng)生成的類(lèi)似于酚醛的新型樹(shù)脂，除了具有酚醛樹(shù)脂的成炭率高、抗高溫氧化性好、力學(xué)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，還具有固化過(guò)程無(wú)小分子釋放和收縮率低等特點(diǎn)，已應(yīng)用在許多領(lǐng)域[9-14]。目前還未見(jiàn)到硅橡膠/苯并噁嗪樹(shù)脂復(fù)合材料方面的相關(guān)研究。因此，進(jìn)行這方面的研究具有一定的意義。

關(guān)于柔性耐燒蝕復(fù)合材料的燒蝕結(jié)構(gòu)模型研究較多，其中三元乙丙橡膠基耐燒蝕復(fù)合材料的三層燒蝕結(jié)構(gòu)模型(炭化層、熱解層和基體層)得到了多數(shù)研究者的認(rèn)可。但關(guān)于硅橡膠耐燒蝕復(fù)合材料的燒蝕結(jié)構(gòu)模型還是處于探索階段。目前研究較多的是Oyumi[15]的三層結(jié)構(gòu)模型(原始層、反應(yīng)層和炭化層)和Yang[16]的四層結(jié)構(gòu)模型(原始層、熱解層、陶瓷層和燒蝕表層)。這兩種模型也是基于硅橡膠/無(wú)機(jī)填料體系，而對(duì)于硅橡膠/有機(jī)填料體系而言，燒蝕結(jié)構(gòu)模型研究顯得尤為重要。

本研究以熱硫化硅橡膠為耐燒蝕復(fù)合材料基體，雙酚A-苯胺型苯并噁嗪樹(shù)脂(BZ)為耐燒蝕樹(shù)脂，氣相法白炭黑為補(bǔ)強(qiáng)劑，碳纖維為增強(qiáng)纖維，采用熔融共混和分段硫化工藝，制備硅橡膠/苯并噁嗪樹(shù)脂耐燒蝕復(fù)合材料并研究其燒蝕結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1試劑和儀器

甲基乙烯基硅橡膠(MVQ，乙烯基含量為0.16%，分子量為5.5×105)，甲基苯基乙烯基硅橡膠(MPVQ，乙烯基含量為11.3%，分子量為6.0×105)，上海樹(shù)脂廠(chǎng)；氣相法白炭黑(比表面積為 200 m2/g)，杜瓦化工；羥基硅油，黏度為50 mPa·s，濟(jì)南國(guó)邦化工；雙酚A-苯胺型苯并噁嗪樹(shù)脂預(yù)聚體(BZ)，AMEX412型，上海瑞儀化工科技有限公司；6 mm 短切碳纖維，南京曼卡特科技有限公司；過(guò)氧化二異丙苯(DCP)，上海山浦化工有限公司。

HY-76型雙輥開(kāi)煉機(jī)；YC-3200型平板硫化機(jī)；XSS-300型轉(zhuǎn)矩流變儀；DHG-9240A型鼓風(fēng)干燥箱；S-3400N型掃描電子顯微鏡；XCP型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；Nicolet-380型傅立葉變換紅外光譜儀；HR800UV拉曼光譜儀；SDT-Q600型DSC-TGA分析儀；500 MHz Digital NHR Spectrometer。

1.2試樣制備

硅橡膠(50份MVQ+50份MPVQ)100份，白炭黑30份，DCP 2份，羥基硅油3份，碳纖維10份，苯并噁嗪樹(shù)脂分別取0份、10份、20份、30份、40份。

將50份MVQ和50份MPVQ放入雙輥開(kāi)煉機(jī)，進(jìn)行塑煉。塑煉包輥，且兩種膠料混合均勻后，依次加入羥基硅油、白炭黑、碳纖維、苯并噁嗪樹(shù)脂和DCP進(jìn)行混煉，混煉溫度90 ℃?；鞜捑鶆蚯冶⊥◣状魏?，將膠料取出，靜置24 h。然后進(jìn)行硫化，硫化過(guò)程分為兩步：一次硫化，將混好的膠料置于模具中，放入平板硫化機(jī)內(nèi)，壓力15 MPa、分段硫化；二次硫化，將試樣放入烘箱中，在一定溫度下，保持一段時(shí)間。制備成φ30 mm×10 mm的圓柱試樣，作為燒蝕性能測(cè)試試樣；制備成70 mm×110 mm×3 mm的長(zhǎng)方體試樣，作為力學(xué)性能測(cè)試試樣。

1.3測(cè)試分析

(1)采用1H-NMR表征該雙酚A-苯胺型苯并噁嗪樹(shù)脂，溶劑CDCl3，500 MHz；采用差示掃描量熱法分析其熔融固化性能，升溫速率10 ℃/min，N2氣氛保護(hù)，流量100 mL/min；采用轉(zhuǎn)矩流變儀測(cè)試其扭矩，升溫區(qū)間常溫至150 ℃。

(2)采用YS-2型氧乙炔燒蝕試驗(yàn)機(jī)按照GJB323A—1996標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，燒蝕時(shí)間20 s，測(cè)試復(fù)合材料線(xiàn)燒蝕率。采用XCP萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)按照GB/T528—2009標(biāo)準(zhǔn)，拉伸速率10 mm/min，測(cè)試復(fù)合材料力學(xué)性能。

(3)采用日本日立公司S-3400N型掃描電子顯微鏡，觀(guān)察復(fù)合材料拉伸斷面和燒蝕后試樣的形貌，EDS能譜分析燒蝕部分元素組成。

(4)采用傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)，KBr壓和拉曼光譜儀(Raman)，進(jìn)行燒蝕試樣的化學(xué)組成分析。

2 結(jié)果與討論

2.1復(fù)合材料的制備

圖1苯并噁嗪預(yù)聚體的1H-NMR圖。從圖1可以看出，存在噁嗪環(huán)上的兩個(gè)亞甲基氫特征峰δ=5.36，δ=4.62，說(shuō)明該樹(shù)脂含有一定量的噁嗪環(huán)[17]，同時(shí)δ=3.87是Mannich橋鍵上的亞甲基中的兩個(gè)氫的特征峰。由此可知，本研究所采用的的苯并噁嗪樹(shù)脂并不是100%的含有噁嗪環(huán)的苯并噁嗪?jiǎn)误w，還可能含有多環(huán)的預(yù)聚體。圖1中噁嗪環(huán)上亞甲基氫峰的積分面積與Mannich橋鍵和噁嗪環(huán)上的亞甲基氫峰面積之比，即為該苯并噁嗪樹(shù)脂的成環(huán)率，結(jié)果為81%。

2.1.2 硅橡膠/苯并噁嗪樹(shù)脂復(fù)合材料的成型加工條件

通常熱硫化硅橡膠成型采用二段硫化工藝，即分別在170 ℃和200 ℃左右進(jìn)行一段硫化和二段硫化[18]。本研究以熱硫化硅橡膠為基體，其成型條件基本確定，向其中摻混苯并噁嗪樹(shù)脂最有效方法是熔融共混，并要求二者具有同步的固化成型溫度。由于硅橡膠的溫度穩(wěn)定性能優(yōu)良，因此研究體系中，苯并噁嗪樹(shù)脂的流變性能和固化溫度就顯得尤為重要。流變曲線(xiàn)和DSC是研究聚合物流變性能和確定固化溫度最常用的方法。圖2和圖3分別是苯并噁嗪樹(shù)脂的DSC曲線(xiàn)和轉(zhuǎn)矩流變曲線(xiàn)。

由圖2可見(jiàn)，苯并噁嗪樹(shù)脂從60 ℃時(shí)開(kāi)始持續(xù)吸熱，在90 ℃時(shí)達(dá)到最大吸熱溫度,此階段失重率幾乎為零，表明此時(shí)苯并噁嗪發(fā)生熔融相變，圖3所示的硅橡膠/苯并噁嗪樹(shù)脂的扭矩-溫度曲線(xiàn)也更進(jìn)一步確定了體系的熔融轉(zhuǎn)變，由50℃時(shí)的22.1 N·m降低到90 ℃時(shí)的4.5 N·m。繼續(xù)升高溫度，苯并噁嗪樹(shù)脂黏度繼續(xù)降低，但明顯趨緩，而由圖2中顯示苯并噁嗪樹(shù)脂在90～150 ℃范圍內(nèi)開(kāi)始發(fā)生交聯(lián)放熱反應(yīng)，因此初步確定90 ℃為硅橡膠/苯并噁嗪樹(shù)脂體系的熔融共混溫度。

由圖2還可見(jiàn)，當(dāng)溫度繼續(xù)升高到180 ℃時(shí)，放熱效應(yīng)明顯，說(shuō)明此時(shí)苯并噁嗪樹(shù)脂交聯(lián)固化反應(yīng)明顯。通常熱硫化硅橡膠(DCP硫化劑)一段硫化溫度為170 ℃左右，因此將模壓溫度確定為180 ℃，不僅能能保證硅橡膠的硫化，也保證了苯并噁嗪的固化。圖2中繼續(xù)升高溫度到240 ℃，苯并噁嗪樹(shù)脂達(dá)到最大放熱溫度，說(shuō)明該溫度下苯并噁嗪樹(shù)脂發(fā)生固化速率最快，因此確定240 ℃為硅橡膠/苯并噁嗪樹(shù)脂體系的二段固化溫度。圖4為所制備的試樣。由圖4可見(jiàn)，不同溫度下所制備試樣的顏色變化明顯，表明發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

2.2BZ添加量對(duì)力學(xué)性能的影響

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層復(fù)合材料不但要有優(yōu)異的耐燒蝕性能，同時(shí)也要具有一定的力學(xué)性能，能夠緩沖殼體的應(yīng)力[19]。圖5是不同苯并噁嗪份數(shù)對(duì)復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率影響的變化曲線(xiàn)。

由圖5可見(jiàn)，隨著苯并噁嗪樹(shù)脂摻混量的增大，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都逐漸下降。這主要是由于硅橡膠與苯并噁嗪樹(shù)脂之間的極性差別較大，相容性較差，致使力學(xué)性能降低。圖6為硅橡膠/苯并噁嗪樹(shù)脂復(fù)合材料拉伸斷面的SEM圖。由圖6可見(jiàn)，苯并噁嗪樹(shù)脂以細(xì)顆粒狀均勻散布在硅橡膠基體中，邊界明顯，容易引起應(yīng)力集中而使力學(xué)性能降低，因此本研究的苯并噁嗪樹(shù)脂的摻混量不宜多，初步確定為其摻混量為20～30份。

2.3BZ摻混量對(duì)燒蝕性能的影響

如圖1所示，加入甘油的SAEW隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng)，其ACC含量逐漸降低。放置2 h后，加入3%甘油的SAEW的ACC由59.80 mg/L降到34.27 mg/L，損失43%；加入10%甘油的SAEW的ACC由59.80 mg/L降到25.64 mg/L，損失57%；放置24 h后加入不同濃度甘油的SAEW的ACC損失達(dá)到90%。在6 h以?xún)?nèi)高濃度甘油對(duì)SAEW的ACC影響明顯高于低濃度甘油，甘油濃度對(duì)ACC的影響較大。

固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層采用燒蝕法來(lái)達(dá)到熱防護(hù)作用，因此燒蝕率是絕熱層最重要的性能指標(biāo)之一[20]。圖7為不同摻混量的苯并噁嗪樹(shù)脂與復(fù)合材料線(xiàn)燒蝕率的關(guān)系曲線(xiàn)。

由圖7可見(jiàn)，隨著苯并噁嗪樹(shù)脂摻混量的增加，

線(xiàn)燒蝕率開(kāi)始明顯下降，在20份苯并噁嗪摻混量以后趨于穩(wěn)定，此時(shí)線(xiàn)燒蝕率維持在0.063 mm/s左右。從燒蝕方面考慮，將苯并噁嗪樹(shù)脂的摻混量確定為20～30份。

2.4燒蝕層結(jié)構(gòu)與組分分析

2.4.1 硅橡膠/苯并噁嗪樹(shù)脂復(fù)合材料燒蝕后表面形貌

圖8是不同苯并噁嗪樹(shù)脂添加量的復(fù)合材料燒蝕后形貌圖。由圖可見(jiàn)，加入苯并噁嗪樹(shù)脂的試樣(圖8(a))燒蝕表面中部下凹程度明顯小于未摻混的試樣(圖8(b))。通過(guò)SEM進(jìn)一步比較觀(guān)察，未加入苯并噁嗪樹(shù)脂圖(圖8(a))的燒蝕表面裸露出碳纖維之間孔隙較大，碳纖維之間“塌落”堆砌，使其耐燒蝕性能較差。而摻混苯并噁嗪樹(shù)脂(圖8(b))經(jīng)燒蝕后，大部分裸露的碳纖維之間有致密的黑色物質(zhì)連接，孔隙較小。說(shuō)明苯并噁嗪樹(shù)脂在燒蝕過(guò)程中，在燒蝕表面形成炭化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)碳纖維的粘接作用，起到改善耐燒蝕性能。因此，在硅橡膠中摻混苯并噁嗪樹(shù)脂，使燒蝕層結(jié)構(gòu)更為致密，耐燒蝕性能明顯改善。

2.4.2 硅橡膠/苯并噁嗪樹(shù)脂復(fù)合材料燒蝕層結(jié)構(gòu)

目前，關(guān)于硅橡膠基耐燒蝕復(fù)合材料的燒蝕模型有許多，但至今未有較為公認(rèn)的燒蝕結(jié)構(gòu)模型。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者建立了硅橡膠/無(wú)機(jī)耐燒蝕填料復(fù)合材料的燒蝕模型，但是尚未有關(guān)于硅橡膠/有機(jī)類(lèi)耐燒蝕填料復(fù)合材料燒蝕模型的報(bào)道。本工作進(jìn)行了硅橡膠/雙酚A-苯胺型苯并噁嗪樹(shù)脂耐燒蝕復(fù)合材料燒蝕模型研究。圖9為10份雙酚A-苯胺型苯并噁嗪樹(shù)脂試樣燒蝕后的剖面圖片。

由圖9可見(jiàn)，復(fù)合材料燒蝕后，試樣形成了界限明顯的三層結(jié)構(gòu)：最上面為白色而堅(jiān)硬的類(lèi)似于陶瓷的物質(zhì)；中間層為黑色物質(zhì)；最下層為棕黃色基體層。本研究分別命名為：表面陶瓷層、裂解炭化層和基體層。

2.4.3 表面陶瓷層和裂解炭化層的組分分析

圖10(a),(b)和(c)分別為燒蝕結(jié)構(gòu)剖面、表面陶瓷層和裂解炭化層的SEM圖。由圖可見(jiàn)，復(fù)合材料經(jīng)過(guò)氧乙炔焰燒蝕之后在表面形成的一層白色物質(zhì)；白色物質(zhì)下方是空隙較大的黑色炭化層，主要由硅橡膠和苯并噁嗪樹(shù)脂兩種聚合物在燒蝕過(guò)程中裂解而揮發(fā)出小分子物質(zhì)后生成。分別對(duì)其進(jìn)行了EDS點(diǎn)能譜(圖10(d),(e))，F(xiàn)T-IR(圖11)和Raman(圖12)分析。

由圖10(d)，(e)可見(jiàn)，表面陶瓷層和裂解炭化層幾乎都是由C，O，Si這三種元素組成。

由圖12可見(jiàn)，表面陶瓷層的Raman圖中795 cm-1為SiC的Si—C鍵特征吸收峰，1390 cm-1和1589 cm-1分別為碳單質(zhì)的D峰和G峰，2730 cm-1為D峰的倍頻峰。裂解炭化層Raman光譜中也同樣出現(xiàn)了碳的特征吸收的D峰和G峰(1357 cm-1和1587 cm-1)。

上述分析表明，表面陶瓷層主要組成為SiO2，SiC和碳。裂解炭化層主要由SiO2，SiC、炭化徹底的碳和炭化不完全的有機(jī)結(jié)構(gòu)組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硅橡膠/苯并噁嗪樹(shù)脂復(fù)合材料經(jīng)氧乙炔焰燒蝕后，苯并噁嗪樹(shù)脂經(jīng)裂解炭化并與白炭黑反應(yīng)生成抗高溫氧化性能的SiC，進(jìn)一步提高了其耐燒蝕性能。

3 結(jié)論

(1)選用雙酚A型苯并噁嗪樹(shù)脂的成環(huán)率為81%。通過(guò)90 ℃熔融共混、180 ℃一段硫化和240 ℃二段硫化條件，制備出了性能較好的硅橡膠/苯并噁嗪樹(shù)脂復(fù)合材料。

(2)在硅橡膠基體中，摻混20～30份苯并噁嗪樹(shù)脂，復(fù)合材料具有較佳的耐燒蝕性能，綜合性能良好，20份雙酚A-苯胺型苯并噁嗪添加量時(shí)，復(fù)合材料的線(xiàn)燒蝕率為0.063 mm/s。

(3)復(fù)合材料材料經(jīng)燒蝕后，分別形成表面陶瓷層、裂解炭化層和基體層三層燒蝕結(jié)構(gòu)，其中表面陶瓷層主要由SiO2，SiC和C組成,裂解炭化層主要由SiO2，SiC、炭化徹底的碳和碳化不完全的有機(jī)結(jié)構(gòu)組成。

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Abstract： Benzoxazine resin is a new generation of anti-ablation resin with high char yield and high-temperature oxidation resistance. Using high temperature vulcanized silicon rubber as ablation resistance matrix and 2,2’-(3-methyl-4-dihydro-1,3,2-benzoxazine)propane as anti-ablation resin, silicon rubber/polybenzoxazine anti-ablation composite was prepared by blending method. The mechanical properties were tested,and the ablation structure and the composition of the composite were investigated by DSC,SEM,FT-IR and Raman.Experimental results show that the polybenzoxazine resin can improve the ablation resistance property of silicone rubber composite. The composite has good ablation resistance and mechanical property when the addition of polybenzoxazine resin reaches 20 phr. After ablated by oxygen acetylene flame,the ablation layer is divided into three obvious layers as surface ceramic layer,pyrolysis carbonization layer and base layer. The surface ceramic layer formed in the progress of ablation plays a positive role in the ablation property of the composite material.

Keywords: silicon rubber; benzoxazine resin; anti-ablation composite material; preparation; ablation structure

(責(zé)任編輯：張 崢)

PreparationofSiliconRubber/2,2’- (3-methyl-4-dihydro-1,3,2-benzoxazine)PropaneAblative-resistant
CompositesandItsAblativeStructure

DONG Yimin1， YIN Zhengshuai2, LI Yong1

(1.Metallurgical Institute, Northeastern University, Shenyang 110819, China；2.Sanjiang Aerospace Jiangbei Mechanical Engineering Co., Ltd, Xiaogan 432000, hubei China)

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000169

TB332

A

1005-5053(2017)05-0070-07

李勇(1969—)，男，博士，副教授，主要從事功能高分子材料與固體廢物處理研究，(E-mail)liyong@smm.neu.edu.cn。

2016-09-30；

2017-01-20