該研究主要關(guān)注了航空技術(shù)要求日益嚴(yán)格的情況下，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（SRM）殼體性能的進(jìn)一步優(yōu)化。研究使用了共固化技術(shù)（co-curing technique）來(lái)制備碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）和三元乙丙橡膠（EPDM）復(fù)合材料。通過(guò)改變溫度、加熱時(shí)間和硫化劑的類型，調(diào)整了CFRP/EPDM復(fù)合材料的性能，以獲得最佳的制造工藝。使用核磁共振（NMR）測(cè)試的交聯(lián)密度為3.459 × 10^^-4 mol/cm^³，90°剝離強(qiáng)度測(cè)試為2.342 N/mm，層間剪切強(qiáng)度（ILSS）為82.08 MPa，這些結(jié)果表明在160℃下加熱20分鐘并使用DCP/S硫化體系可以獲得復(fù)合材料的最佳機(jī)械性能。

CFRP和EPDM橡膠由于其具有優(yōu)異的性能特性，是SRM的關(guān)鍵部件。CFRP因其低密度、高強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和耐腐蝕而被用作SRM案例。EPDM橡膠因其密度（0.85 g/cm3）、導(dǎo)熱系數(shù)低、熱穩(wěn)定性高而被應(yīng)用作SRM的熱屏障。然而，當(dāng)火箭發(fā)射時(shí)，高速熱流可以產(chǎn)生極高的溫度（2000-4000?C）和壓力（約60bar），從而導(dǎo)致勢(shì)壘的降解和脫粘。因此，CFRP和EPDM橡膠之間的界面粘合強(qiáng)度必須足夠強(qiáng)，以抵抗高速熱流的沖擊。

圖2

溫度、時(shí)間和硫化劑類型對(duì)EPDM橡膠交聯(lián)密度的影響如圖2所示。如圖2a所示，隨著溫度的逐漸升高，EPDM/DCP橡膠的交聯(lián)密度逐漸降低，而EPDM/DCP/S和EPDM/DCP/TAIC的交聯(lián)密度保持在相對(duì)合理的數(shù)值。一種可能的解釋可能是，如S和TAIC等固化輔助劑的存在可以將C-S或C-O鍵引入該交聯(lián)體系，以提高交聯(lián)結(jié)構(gòu)的完整性。此外，在EPDM橡膠中，在長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下，C-S、C-C和C-O鍵斷裂，導(dǎo)致EPDM橡膠的交聯(lián)密度降低。因此，EPDM橡膠的最佳固化溫度為160℃。隨著時(shí)間的增加，EPDM橡膠的交聯(lián)密度呈持續(xù)下降趨勢(shì)，其中EPDM/DCP/S的交聯(lián)密度下降最快（圖2b）。C-S、C-C和C-O鍵的鍵能分別為276kJ/mol、334 kJ/mol和364 kJ/mol，其中C-S鍵的鍵能最低。在長(zhǎng)時(shí)間的高溫條件下，C-S鍵比其他鍵更容易被破壞。EPDM橡膠的最佳固化時(shí)間為20 min。當(dāng)溫度為160℃時(shí)，時(shí)間為20 min時(shí)，EPDM橡膠的交聯(lián)密度分別達(dá)到3.336,3.459和3.622×10^^-4 mol/cm^³。EPDM/DCP/S和EPDM/DCP/TAIC的交聯(lián)密度均顯著高于EPDM/DCP，說(shuō)明S和TAIC的摻入有利于提高橡膠的交聯(lián)密度。

熱重（TG）和差分熱重（DTG）曲線EPDM橡膠的熱解反應(yīng)如圖9a，b所示。與EPDM/DCP、Ti、EPDM/DCP/S和EPDM/DCP/TAIC的Tp和Tr均顯著升高，但其含量顯著升高，EPDM/DCP/S和EPDM/DCP/TAIC的炭化產(chǎn)率略有下降。這個(gè)EPDM/DCP/S和EPDM/DCP/TAIC比EPDM/DCP具有更高的熱穩(wěn)定性 。這要?dú)w因于S和TAIC的合并能提高EPDM橡膠的交聯(lián)度，從而提高熱性能，EPDM橡膠的穩(wěn)定性。

圖9

研究的主要結(jié)論是：通過(guò)調(diào)整EPDM橡膠的硫化溫度、加熱時(shí)間和硫化體系，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了CFRP/EPDM復(fù)合材料的最佳制備。研究結(jié)果表明，使用DCP/S硫化體系在160°C下硫化20分鐘，CFRP/EPDM復(fù)合材料的界面層平均剝離強(qiáng)度和CFRP復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度分別達(dá)到了2.342 N/mm和82.08 MPa。EPDM/DCP/S的交聯(lián)密度為3.459 ×10^^-4 mol/cm^³，比EPDM/DCP的交聯(lián)密度高。EPDM/DCP/S具有出色的熱穩(wěn)定性，可以提高CFRP/EPDM復(fù)合材料的熱性能。CFRP/EPDM復(fù)合材料顯示出一個(gè)明顯的界面相，寬度在20-30微米之間，這可能有助于提高復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。界面層的形成機(jī)制是，在高溫高壓下，環(huán)氧樹(shù)脂流動(dòng)并擴(kuò)散到EPDM橡膠的內(nèi)部，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂達(dá)到凝膠點(diǎn)后，可能會(huì)使CFRP和EPDM橡膠結(jié)合得更緊密。這項(xiàng)研究為獲得更具成本和能源效率的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體提供了一種新的方法。

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參考文獻(xiàn)

Wei B, Yu C, Bai Y, et al. Preparation optimization of CFRP and EPDM composite by the co-curing method[J]. Materials, 2023, 16(2): 503.