絕熱層

固體火箭發(fā)動機(jī)的絕熱層大致分為三類。第一類是柔性絕熱層，通常以高分子彈性體材料為基體，用于殼體黏結(jié)式裝藥結(jié)構(gòu)。第二類是硬性絕熱層，通常以高分子樹脂材料為基體，用于自由裝填式裝藥結(jié)構(gòu)以及與火焰接觸的部位。第三類是近期發(fā)展的由柔性和硬性兩類組合的多層式絕熱層，它兼有柔性絕熱層和硬性絕熱層的優(yōu)點(diǎn)，適用于任何裝藥結(jié)構(gòu)。

1．柔性絕熱層

此類絕熱層按成型方法不同，又可分為軟片粘貼和厚漿涂敷兩種類型。

粘貼式柔性絕熱層是用高分子橡膠材料作基體，與粉末狀耐燒蝕填料以及多種添加劑按預(yù)定配比，經(jīng)輾片機(jī)混合和多次輾壓，先制成半固化狀態(tài)的軟片，再經(jīng)模壓制成用于人工脫粘層的預(yù)制件，并將軟片直接裁剪成圓簡體尺寸，兩端搭接后，將預(yù)制件和圓簡體分別黏結(jié)到殼體內(nèi)壁，也可將頭端部預(yù)制件與軟片預(yù)先搭接成整體圓筒，置入涂有黏結(jié)劑的殼體中，然后用氣囊充氣加壓，使其緊貼于殼體內(nèi)壁，并在高溫、加壓下固化。粘貼式絕熱層必須保證界面的空氣充分除盡，且不含揮發(fā)性溶劑，以確保與殼體的黏結(jié)質(zhì)量。這類絕熱層早期使用的主要以丁腈丁苯和酚醛改性丁腈橡膠作為基體材料，填料為石棉、二氧化硅和硼酸。它們的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度適中，延伸率很高，隔熱性能較好，密度相對較低。其主要缺點(diǎn)是高溫炭化后失去機(jī)械強(qiáng)度，不能形成牢固的炭化層，因面抗沖刷性差，燒蝕率偏高。后期發(fā)展的元乙丙橡膠與氧化硅組成的絕熱層，在密度.抗拉強(qiáng)度、延伸率，隔熱性能低溫性能和抗老化性能等方面均有較大改進(jìn)但其耐燒蝕性能仍遜于硬性絕熱層。三元乙內(nèi)絕熱層與金屬殼體的黏結(jié)性差，需采用特味的黏結(jié)劑和相應(yīng)的黏結(jié)工藝涂數(shù)式柔性絕熱層是早期型使用的另類以高分子彈性體材料為基體

的采性絕熱層。它與粘貼式絕熱層的義湖主要是采用液態(tài)預(yù)聚物作基體材料，加人填料和其他組分經(jīng)混合后成為稿厚的漿料、因面可用噴涂。制涂、涂刷、離心等工藝方法直接在殼體內(nèi)壁涂敷，經(jīng)加熱固化后成型，不需要預(yù)先制成軟片或預(yù)制件，且整個絕熱層沒有搭接縫。這類絕熱層的基體材料通常采用與推進(jìn)劑配方相同的預(yù)聚物，因而與藥柱界面具有良好的黏結(jié)性。涂敷式柔性絕熱層的缺點(diǎn)是抗沖刷能力差，燒蝕率較高，漿料中含有揮發(fā)性液體，容易在涂敷和固化過程中使絕熱層產(chǎn)生氣孔，因而工藝條件必須嚴(yán)格控制。

2．硬性絕熱層

此類絕熱層采用耐高溫的熱固性樹脂為基體材料，最常用的是酚醛和改性酚醛，近期發(fā)展的有聚酰亞胺、聚苯并咪唑、聚苯并噻唑和聚苯撐等，填料則采用耐高溫的纖維，如石棉纖維、高硅氧纖維、酚醛纖維、碳纖維和凱夫拉纖維等，增強(qiáng)纖維可以制成短纖維，也可編織成帶、紗、布或氈，絕熱層的成型方法有層壓、模壓、貼片和多向編織預(yù)浸纏繞等，硬性絕熱層的特點(diǎn)是在高溫、高速燃?xì)庾饔孟履苄纬衫喂痰奶炕瘜?，抗沖刷性和耐燒蝕性好，且有很高的抗壓強(qiáng)度和模量。它特別適用于受氣流沖刷嚴(yán)重的端面燃燒和自由裝填式固體火箭發(fā)動機(jī)的貼壁絕熱層，其缺點(diǎn)是密度大、隔熱性能較差、延伸率太低。對殼體黏結(jié)式裝藥結(jié)構(gòu)也不能起到應(yīng)力緩沖作用，補(bǔ)救辦法是在樹脂基體中摻入部分彈性體預(yù)聚物或在硬性絕熱層內(nèi)表面增加彈性體襯層。

3．多層組合式絕熱層

此類絕熱層可按使用要求制成不同結(jié)構(gòu)。如在兩層三元乙丙柔性絕熱層之間夾一層硬性的酚醛纖維布，經(jīng)熱壓固化后制成組合絕熱層。其中，三元乙丙絕熱層起到良好的隔熱作用和阻止氣體滲透，而酚醛纖維布則有很好的耐燒蝕性和抗沖刷性。整個組合絕熱層又有較高的延伸率和抗拉強(qiáng)度，且燃燒產(chǎn)物無煙無毒。這種組合絕熱層的抗燒蝕時間比三元乙丙絕熱層長1倍以上，而殼體外壁溫度基本沒有升高，又如用三種不同材料制成三層組合式絕熱層，內(nèi)層為樹脂基體與增強(qiáng)纖維組成的抗燒蝕層，中間層和外層則用彈性體預(yù)聚物和無機(jī)填料組成的多孔狀結(jié)構(gòu)。中間層起隔熱作用，外層起應(yīng)力緩沖作用。顯然，這種組合式絕熱層具有良好的綜合性能。

推進(jìn)劑藥柱的燃燒溫度高達(dá)l 500～3 500 K。因而必須對殼體內(nèi)表面進(jìn)行保護(hù)。

內(nèi)絕熱層（insulation）設(shè)計(jì)包括以下四個主要步驟：

1）內(nèi)絕熱層環(huán)境分析：包括推進(jìn)劑燃?xì)庑再|(zhì)、內(nèi)腔氣動力等；

2）材料選擇：在模擬發(fā)動機(jī)工作條件下進(jìn)行縮比試驗(yàn)，以對試件進(jìn)行評估；

3）確定殼體不同部位承受高溫所需的絕熱層厚度；

4）確定能承受殼體和推進(jìn)劑藥柱機(jī)械應(yīng)變所需的絕熱層尺寸和厚度。

在氣流燒蝕較高的部位（殼體內(nèi)壁附近高速氣流區(qū)），可使用耐熱樹脂（酚醛、聚酰胺）預(yù)浸漬的石棉、高硅氧、碳纖維等致密甚至是剛性的材料，但目前彈性體已越來越多地取代了這種材料。彈性體材料通過添加增強(qiáng)填料，使絕熱性能明顯得到改進(jìn)。由于過去應(yīng)用多年的石棉填料已被禁用，現(xiàn)已開發(fā)了各種新的絕熱材料來取代含石棉的材料。這些增強(qiáng)填料可以是纖維狀的（如高硅氧纖維、凱芙拉、碳纖維），也可以是粉末狀的（如高硅氧、碳）。絕熱層密度可以各不相同，以便減輕發(fā)動機(jī)消極質(zhì)量。

殼體圓筒段絕熱層在推進(jìn)劑燃燒末期才會裸露出來，它可以采用一種含填料較少的用噴涂法成型的橡膠襯層。襯層的主要作用是保證推進(jìn)劑與殼體上防熱橡膠層之間具有良好的粘結(jié)。 2100433B

絕熱層材料主要由基體材料、補(bǔ)強(qiáng)填料、耐燒蝕填料、工藝助劑和硫化交聯(lián)劑等組分構(gòu)成。一般來說，填料要占絕熱層總質(zhì)量的30%～60%。

絕熱層高分子基體材料

絕熱層基體材料的選擇對絕熱層的性能有較大的影響，對基體材料的要求是密度低、比熱大、耐熱性高、抗老化性能好，與推進(jìn)劑藥柱化學(xué)相容性好。同時，絕熱層基體材料與發(fā)動機(jī)殼體有良好的粘接性能，易于施工。

常用的基體材料為合成橡膠和樹脂。橡膠品種主要有NBR、EPDM、CR、丁基橡膠、SBR、硅橡膠等；樹脂基材主要是耐高溫酚醛樹脂。

（1）NBR

NBR是由丁二烯和丙烯腈經(jīng)乳液共聚而制得的一種高分子彈性體，具有優(yōu)異的耐油性和易粘接性，而且耐熱性好、透氣率低，其應(yīng)用十分寬泛。美國噴氣公司于20世紀(jì)60年代初期開始將NBR廣泛應(yīng)用于各類固體火箭發(fā)動機(jī)中。當(dāng)受到高溫灼燒時，NBR絕熱層除了產(chǎn)生裂解反應(yīng)外，丁二烯分子與丙烯腈分子受熱產(chǎn)生鍵合，形成類似梯狀的分子結(jié)構(gòu)，燒蝕過程中形成的炭化層正是因?yàn)楹羞@種耐高溫結(jié)構(gòu)而具有相當(dāng)大的強(qiáng)度。但是NBR的耐寒性和抗老化能力還不夠理想。

（2）EPDM

EPDM大分子主鏈為飽和結(jié)構(gòu)，雙鍵位于側(cè)鏈，分子內(nèi)沒有極性取代基，鏈節(jié)較柔順。根據(jù)第三單體種類的不同，EPDM可分為ENB型EPDM、DCPD型EPDM和HD型EPDM。不同型號EPDM結(jié)構(gòu)的差別主要在于：第三單體的種類與數(shù)量、乙烯和丙烯的比例、單體單元及其序列結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量及其分布。

與NBR相比，EPDM具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）密度低，僅為0.86～0.87 g/cm³（NBR密度為0.94～1.0 g/cm³）；

2）良好的耐低溫性能和耐熱性能；

3）優(yōu)異的耐臭氧老化性能及耐候性；

4）良好的力學(xué)性能。

EPDM的綜合性能好，是良好的絕熱層基體材料。以EPDM為基材的絕熱層，密度低、延伸率高，具有良好的抗燒蝕性能和隔熱性能，可長期貯存，與推進(jìn)劑、鋼（鋁）、玻璃纖維或有機(jī)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料有很好的化學(xué)相容性，并可以降低發(fā)動機(jī)的消極質(zhì)量，是近年來固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室廣泛使用的內(nèi)絕熱材料。EPDM絕熱層適用范圍廣，可用于火箭發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)絕熱層，也可用于火箭發(fā)動機(jī)噴管收斂段及火箭的外絕熱層，還可用于雙基及復(fù)合推進(jìn)劑裝藥的包覆層。

從20世紀(jì)80年代開始，EPDM絕熱層得到了廣泛的應(yīng)用。但EPDM也存在不足，主要是硫化速度較慢，自粘性差，且粘接強(qiáng)度不高。

絕熱層補(bǔ)強(qiáng)填料

為了滿足發(fā)動機(jī)對絕熱層提出的力學(xué)性能要求，絕熱層中通常需加入補(bǔ)強(qiáng)填料。絕熱層的抗拉強(qiáng)度、仲長率、硬度等性能在很大固體火箭推進(jìn)劑理淪與工程程度上取決于所選用填料的品種和用量。絕熱層常用的補(bǔ)強(qiáng)填料是粉狀填料，包括炭黑、白炭黑等。

（1）炭黑

炭黑是各種氣態(tài)或液態(tài)碳?xì)浠衔锝?jīng)不完全燃燒得到的微粒。采用不同原料、不同方法制得的炭黑的粒子細(xì)度、結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)活性等均有所差別，所以補(bǔ)強(qiáng)效果也不相同。爐法炭黑的補(bǔ)強(qiáng)效果好，兼具良好的耐磨性與抗撕裂性，工藝性能較好，因此常用于橡膠補(bǔ)強(qiáng)。

炭黑是無定形晶體結(jié)構(gòu)，炭黑的細(xì)度、結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)，以及炭黑在膠料中的分散程度等將顯著地影響膠料的性能。在炭黑巨大稠合芳環(huán)的周邊上結(jié)合有羧基、酚基、醌基、內(nèi)酯基等含氧有機(jī)官能團(tuán)，當(dāng)炭黑用作橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑時，這些官能團(tuán)在混煉或硫化過程中能與橡膠基材反應(yīng)，使結(jié)合橡膠增加。官能團(tuán)對橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用因膠種而異，對橡膠硫化及老化性能的影響較大。

（2）白炭黑

白炭黑是指細(xì)分散的SiO₂，按其生產(chǎn)方法可分為沉淀法白炭黑和氣相法白炭黑。因制造條件和牌號不同．白炭黑的性能有很大區(qū)別，主要表現(xiàn)在粒徑、比表面積、表面化學(xué)性質(zhì)等方面。

白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)效果要優(yōu)于任何一種其他白色補(bǔ)強(qiáng)劑，而且隨著白炭黑用量增加，硫化膠的力學(xué)性能不斷提高，如圖1：性能比較圖所示。白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能主要取決于白炭黑的比表面積、結(jié)構(gòu)性能和表面化學(xué)性質(zhì)，白炭黑只有在被橡膠良好潤濕，并在橡膠中良好分散的情況下才能充分發(fā)揮其補(bǔ)強(qiáng)作用。與添加沉淀法白炭黑的膠料相比，添加氣相法向炭黑的膠料有較高的硬度、定伸應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度，但含氣相法白炭黑的膠料永久變形程度較高。

與炭黑相比，白炭黑的比表面積更大，粒徑更小，混煉膠的粘度也更大。白炭黑的表面官能團(tuán)與炭黑的表面官能團(tuán)完全不同，白炭黑表面有硅氧烷或硅氧醇基團(tuán)，使其表面具有很強(qiáng)的親水性（炭黑一般呈疏水性），易吸水；吸水多時，膠料門尼粘度下降。

（3）其他補(bǔ)強(qiáng)填料

在橡膠型絕熱層中用到的其他填料還有陶土、碳酸鈣、硅酸鈣、鈦白粉等，但它們的補(bǔ)強(qiáng)效果遠(yuǎn)不如炭黑和白炭黑，因而常作為填充劑使用，或?yàn)榱烁纳颇z料的某些性能及降低成本而使用，在此不再詳述。

絕熱層耐燒蝕填料

耐燒蝕填料的主要作用是提高絕熱層在高溫燃?xì)庾饔孟碌母魺嵝?yīng)，保護(hù)基體材料產(chǎn)生的碳化層在高速熱氣流的沖刷下，仍能保有完整性和牢固性，以降低絕熱層的燒蝕率。除此之外，添加耐燒蝕填料還可調(diào)節(jié)絕熱層的抗拉強(qiáng)度、模量和密度。

理想的耐燒蝕填料最好是能同時滿足下述條件：

1）獲得單位效能所需的量少，即效能/價(jià)格比高；

2）本身低毒或基本無毒，燃燒時生成的有毒和腐蝕氣體盡可能少；

3）與基材相容性好，不易遷移和滲出；

4）具有足夠高的熱穩(wěn)定性，在絕熱層加工溫度下不分解；

5）不致過多惡化絕熱層的加丁性能和最后產(chǎn)品的物理一機(jī)械性能；

6）原料來源充足，制造工藝簡便，價(jià)格低廉。

耐燒蝕填料按其形態(tài)可分為耐燒蝕纖維填料和阻燃粉狀填料兩類。

絕熱層工藝助劑

絕熱層應(yīng)具備良好的制備工藝，以獲得均勻、柔軟、光滑、尺寸穩(wěn)定的絕熱層片材。此外，絕熱層還應(yīng)具有良好的成型工藝，使片材在施工環(huán)境下易于粘貼。絕熱層的這些工藝性能主要與基體材料相關(guān)，但添加適量的增塑劑、增粘樹脂等工藝助劑也是獲得良好工藝性能的重要手段。

（1）增塑劑

橡膠絕熱層中加入增塑劑的主要作用是提高膠料的柔性，改善其加工性能。加入增塑劑后能降低橡膠絕熱層粘度和彈性模量。

橡膠絕熱層常用的增塑劑品種主要有：石油系增塑劑、脂肪系增塑劑和合成增塑劑。使用時要根據(jù)橡膠的極性特點(diǎn)選擇合適的增塑劑品種，否則硫化后會由于相容性差而造成增塑劑析出。對有些要求具有高模量的絕熱層，應(yīng)在其加工性能滿足生產(chǎn)要求的前提下盡量減少增塑劑的用量。

（2）增粘樹脂

針對EPDM、硅橡膠等非極性、難粘橡膠材料，常在配方中加入增粘樹脂來改善其粘貼工藝，提高界面粘接強(qiáng)度。橡膠絕熱層常用的增粘樹脂有酚醛樹脂、松香等。此外，有些增塑劑品種同時也是增粘劑，如古馬隆樹脂等。

固體火箭發(fā)動機(jī)的燃燒室內(nèi)壁通常貼有一定厚度的絕熱層。其功能是對燃燒室殼體起隔熱作用，防止殼體在高溫燃?xì)庾饔孟乱驕囟冗^高而失強(qiáng)或被燒穿，柔性絕熱層對殼體黏結(jié)藥柱還有一定的應(yīng)力緩沖作用。前、后封頭與后簡體部位的絕熱層常采取人工脫粘結(jié)構(gòu)，以改進(jìn)藥柱結(jié)構(gòu)完整性。端面燃燒和內(nèi)孔燃燒的自由裝填式藥柱，其外側(cè)包覆也需用絕熱層。絕熱層的性能要求：

1．隔熱性能

絕熱層應(yīng)有優(yōu)異的隔熱性能，為此，要求絕熱層及其炭化層具有低導(dǎo)熱系數(shù)、高比熱、高熱解溫度和吸熱效應(yīng)。

2．耐燒蝕性能

絕熱層應(yīng)在高溫、高速燃?xì)庾茻蜎_刷下具有良好的耐燒蝕性和抗沖刷性。其衡量標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定的熱通量和氣流速度下，絕熱層的線燒蝕率滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。低燒蝕率絕熱層要求其在高溫燃?xì)庾饔孟履苄纬少|(zhì)地致密、強(qiáng)度較高削炭化層。

3．力學(xué)性能

澆注形式裝藥結(jié)構(gòu)的絕熱層，其模量或硬度直接影響界面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，柔性絕熱層能減小界面剪應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力以及藥柱內(nèi)孔的周向拉應(yīng)力。故這類絕熱層應(yīng)具有低模量、高延伸率、低玻璃化溫度和較高的強(qiáng)度/模量比。而自由裝填式裝藥結(jié)構(gòu)的殼體內(nèi)絕熱層若與殼體黏結(jié)，則要求高模量和高抗壓強(qiáng)度。如絕熱層制成套筒不與殼體黏結(jié)，則不僅要有高抗拉強(qiáng)度，而且應(yīng)有較高延伸率和低玻璃化溫度。

4．黏結(jié)性能

絕熱層與殼體，絕熱層與襯層（藥柱）之間必須具有良好的化學(xué)相容性和規(guī)定的黏結(jié)強(qiáng)度，而且這種界面的良好黏結(jié)應(yīng)能承受長期貯存和各種使用環(huán)境的考驗(yàn)而不被破壞。這是保證藥柱結(jié)構(gòu)完整性或固體火箭發(fā)動機(jī)工作可靠性極為重要的條件，也是決定固體火箭發(fā)動機(jī)服役壽命的重要因素之一。

5．密度

為了減少固體火箭發(fā)動機(jī)的消極質(zhì)量，提高質(zhì)量比，絕熱層的密度越低越好。

6．發(fā)煙量

采用微煙推進(jìn)劑的固體火箭發(fā)動機(jī)，其絕熱層的熱解和燃燒產(chǎn)物應(yīng)盡量減少其煙霧量，以降低對微波、紅外信號的衰減效應(yīng)和可見煙霧度。

2011年7月20日，《礦物棉噴涂絕熱層》發(fā)布。

2012年3月1日，《礦物棉噴涂絕熱層》實(shí)施。