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三元乙丙内绝热材料及其性能研究

作　者: 张平伟
导　师: 张炜
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 军事化学与烟火技术
关键词: EPDM 内绝热材料 热分析 激光烧蚀 动力学方程
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


EPDM内绝热材料是以EPDM为基体、添加耐烧蚀填料、并与其他助剂混炼后硫化而成的一种炭化型抗烧蚀材料,具有密度低、延伸率高及抗烧蚀性能好等优点,广泛应用于固体火箭发动机。因此,开展EPDM内绝热材料及其性能研究,对探索EPDM内绝热材料烧蚀机理具有重要的意义。考察了硫化剂和石蜡油对EPDM内绝热材料性能的影响,确定了二者的最佳用量;采用正交试验法研究了白炭黑、芳纶及硼酚醛树脂对内绝热材料性能的贡献,并确定了三种组分共用时的最佳组合。分别考察了阻燃剂APP、复合阻燃剂及八乙烯基POSS对EPDM内绝热材料性能的影响,在此基础上,研究了硼酸锌与APP和复合阻燃剂的协同效应。结果表明:这三种阻燃剂单独使用时的最佳用量均为20份;5份的硼酸锌与APP和复合阻燃剂具有很好的协同阻燃效应。综合考虑EPDM内绝热材料的工艺、力学和抗烧蚀性能,确定了EPDM内绝热材料的最佳配方:EPDM100份、石蜡油5份、白炭黑30份、芳纶15份、硼酚醛树脂20份、八乙烯基POSS20份、硫化剂6份。此配方下内绝热材料最大拉伸强度为5.82MPa,断裂延伸率为482.3%,线烧蚀率为0.0410 mm·s-1,炭化速率为0.121mm·s-1。通过热重和高压差示扫描量热试验,研究了升温速率和压强变化对EPDM内绝热材料单组分(EPDM、芳纶、硼酚醛树脂及十溴联苯醚)对热分解性能的影响,在此基础上,研究了白炭黑、芳纶、硼酚醛树脂和复合阻燃剂对EPDM内绝热材料热分解性能的影响。结果表明:升温速率变大,EPDM、芳纶及硼酚醛树脂的起始分解温度变高,残炭率也增加;压强增大,EPDM、芳纶及硼酚醛树脂的分解峰温升高,反应热变大;白炭黑、芳纶及硼酚醛树脂提高了EPDM内绝热材料残炭率,改变了EPDM内绝热材料的热分解过程。采用Coats-Redfern法获得了常压下EPDM内绝热材料及其主要组分的热分解动力学方程。采用激光作热源对EPDM内绝热材料及其炭化层进行了热烧蚀试验,考察了激光参数对EPDM内绝热材料烧蚀特性及炭化层热化学烧蚀特性的影响。结果表明,功率密度一定,随着辐照时间增加,EPDM内绝热材料烧蚀性能参数先变小后逐渐稳定;辐照时间一定,随功率密度增加,质量烧蚀率、线烧蚀率变大,但热烧蚀率变小。依据动力学方程,获得了EPDM内绝热材料激光烧蚀反应和炭化层激光热化学烧蚀反应的动力学参数。最后通过对激光烧蚀凝聚相产物进行分析,研究了激光烧蚀后EPDM内绝热材料结构及元素组成。

全文目录


摘要  10-11
ABSTRACT  11-14
第一章 绪论  14-22
  1.1 前言  14-15
  1.2 国内外EPDM 内绝热材料的研究现状  15-18
    1.2.1 国外研究现状  15-17
    1.2.2 国内研究现状  17-18
  1.3 EPDM 内绝热材料热分解特性的研究  18-19
  1.4 EPDM 内绝热材料激光烧蚀特性的研究  19-20
  1.5 本课题的主要任务及研究思路  20-22
第二章 试验方法和测试条件  22-31
  2.1 实验原料及仪器  22-23
    2.1.1 实验原料  22
    2.1.2 仪器设备  22-23
  2.2 性能测试方法和实验条件  23-31
    2.2.1 EPDM 内绝热材料制备方法  23
    2.2.2 激光烧蚀试样制备方法  23-24
    2.2.3 EPDM 内绝热材料力学性能测试  24
    2.2.4 EPDM 内绝热材料烧蚀性能测试  24
    2.2.5 EPDM 内绝热材料表面形貌观察  24-25
    2.2.6 EPDM 内绝热材料热分解性能测试  25-26
    2.2.7 EPDM 内绝热材料激光烧蚀性能测试  26-30
    2.2.8 EPDM 内绝热材料激光烧蚀产物分析  30-31
第三章 EPDM 内绝热材料配方研究  31-50
  3.1 EPDM 内绝热材料基础配方设计  31-33
  3.2 芳纶含量对EPDM 内绝热材料性能的影响  33-35
  3.3 白炭黑含量对EPDM 内绝热材料性能的影响  35-37
  3.4 硼酚醛树脂含量对EPDM 内绝热材料性能的影响  37-40
  3.5 正交试验优化EPDM 内绝热材料配方  40-41
  3.6 阻燃剂对EPDM 内绝热材料性能的影响  41-48
    3.6.1 阻燃剂类型和含量对内绝热材料性能的影响  41-45
    3.6.2 硼酸锌与其他阻燃剂的协同效应研究  45-46
    3.6.3 硅系阻燃剂八乙烯基POSS 对EPDM 内绝热材料性能的影响  46-48
  3.7 小结  48-50
第四章 EPDM 内绝热材料热分解特性研究  50-69
  4.1 单组分的热分解研究  50-58
    4.1.1 EPDM 的热分解特性  50-52
    4.1.2 芳纶的热分解特性  52-54
    4.1.3 硼酚醛树脂的热分解特性  54-56
    4.1.4 十溴联苯醚的热分解特性  56-58
  4.2 EPDM 内绝热材料的热分解特性  58-68
    4.2.1 白炭黑对内绝热材料热分解特性的影响  58-60
    4.2.2 芳纶对内绝热材料热分解特性的影响  60-63
    4.2.3 硼酚醛树脂对内绝热材料热分解特性的影响  63-65
    4.2.4 复合阻燃剂对内绝热材料热分解特性的影响  65-68
  4.3 小结  68-69
第五章 EPDM 内绝热材料激光烧蚀特性研究  69-81
  5.1 激光辐照下EPDM 内绝热材料的烧蚀规律研究  69-75
    5.1.1 激光参数对EPDM 内绝热材料烧蚀性能的影响  69-72
    5.1.2 激光参数对内绝热材料炭化层热化学烧蚀性能的影响  72-75
  5.2 EPDM 内绝热材料激光烧蚀的动力学方程  75-77
    5.2.1 EPDM 内绝热材料热烧蚀的动力学方程  75-76
    5.2.2 EPDM 内绝热材料炭化层热化学反应消耗的动力学方程  76-77
  5.3 EPDM 内绝热材料激光烧蚀产物分析  77-80
    5.3.1 EPDM 内绝热材料激光烧蚀产物元素分析  77-79
    5.3.2 EPDM 内绝热材料激光烧蚀炭化层中各元素形态分析  79-80
  5.4 小结  80-81
第六章 结论  81-83
致谢  83-84
参考文献  84-88
附表1 本文在热分析过程中选用的机理函数  88-90
作者在学期间取得的学术成果  90

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 功能材料
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