Композиционные материалы на основе модифицированного кремнийорганического связующего для применения в качестве теплозащиты

Язык труда и переводы:
УДК:
678.842
Дата публикации:
16 мая 2022, 15:07
Категория:
Материаловедение и новые материалы в машиностроении
Авторы
Аннотация:
Рассмотрено получение композиционныы материалов на основе углеродной ткани и кремнийорганического связующего, модифицированного новолачной фенолформальдегидной смолой, а также рядом неорганических добавок в количестве менее 10 % масс. На экспериментальных образцах проведены исследования поведения материалов при воздействии пламени горелки, а также исследована температуропроводность, проведен термогравиметрический анализ.
Ключевые слова:
композиционные материалы, углепластики, карбид кремния, углеродные волокна
Основной текст труда

Полимерные композиционные материалы являются наиболее перспективными и широко применяемыми материалами для теплозащиты. Они обладают высокими массогабаритными и функциональными характеристиками. Среди них особое место занимают эластомерные материалы.

Кремнийорганические эластомеры (силиконы) обладают ценным комплексом свойств: высокой стойкостью к старению, окислению, высоким и низким температурам, химической и атмосферной стойкостью, обладают химической инертностью, низкой плотностью, технологичностью и главное более высокой теплостойкостью среди других видов эластомеров за счет высокоэнергетической связи атомов в силоксановых молекулах [1–2].

Композиционные материалы на основе силиконов применяются в качестве теплозащиты различных узлов и деталей высоко теплонагруженных элементов [3–5]. Для повышения стойкости к воздействию внешних тепловых потоков проводят армирование непрерывными и короткими углеродными, стеклянными, кремнеземными, кевларовыми и др. волокнами [6–7], а также дисперсными наполнителями: микросферами, тугоплавкой керамикой, гидроксидами, карбонатами, фосфорсодержащими материалами и др. [8–10].

В данной работе получены композиционные материалы на основе кремнийорганического связующего в смеси с новолачной фенолформальдегидной смолой (ФФС) в количестве до 75 % масс. Проведено сравнение вида используемой ФФС: с уротропином, без уротропина и измельченной после отверждения. Применяемый силиконовый двухкомпонентный компаунд до отверждения позволяет механически равномерно совмещать добавки в количестве до 75 % масс. Была отработана технология получения углепластиков с различными видом добавок: корундовых, стеклянных, фенольных и циркониевых микросфер, тугоплавких соединений (карбидов кремния и ванадия, карбонитрида титана, сиалона, нитрида кремния, диборида циркония, оксида алюминия), тетрабората натрия, поликарбосилана.

Исследовано влияние на тепло- и огнезащитные свойства полимерных композиционных материалов при введении различных видов модификаторов. Установлено, что введение частиц различной природы приводит к повышению остаточной массы и формированию оптимальной структуры коксового остатка. Проведена сравнительная оценка прочности при растяжении. Методом лазерной вспышки определена температуропроводность композиционных материалов и исследовано влияние полых микросфер. Установлено, что исходный композиционный материал имеет температуропроводность на уровне 0,17 мм2/с и введение микросфер приводит к ее снижению. Исследован широкий ряд образцов, содержащих различное количество и вид добавок методом термогравиметрического анализа, определены температуры начала и конца термических превращений, а также потери массы при стационарном нагреве. Исследовано влияние количества слоев в материале при воздействии пламени горелки. Исследована структура материалов до и после воздействия.

 

Литература
  1. Шетц М. Силиконовый каучук. Ленинград, Химия, 1975, 192 с.
  2. Yan L. Zhang H., Zhou S. et al. Improving ablation properties of liquid silicone rubber composites by in situ construction of rich-porous char layer. Journal of Applied Polymer Science, 2021, vol. 138, no.11, p. 50030. https://doi.org/10.1002/app.50030
  3. Natali M., Kenny J.M., Torre L. Science and technology of polymeric ablative materials for thermal protection systems and propulsion devices: A review. Progress in Materials Science, 2016, vol. 84, pp. 192–275. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2016.08.003
  4. McKeon T. Ablative degradation of a silicone foam //Journal of Macromolecular Science–Chemistry, 1969, vol. 3, no. 4, pp. 585–612. https://doi.org/10.1080/10601326908053831
  5. Yan L., Zhang H., Zhou S. et al. Improving ablation properties of liquid silicone rubber composites by in situ construction of rich porous char layer. Journal of Applied Polymer Science, 2021, vol. 138, no. 11, p. 50030. https://doi.org/10.1002/app.50030
  6. Amado J.C.Q., Ross P., Sanches N.B. et al. Evaluation of elastomeric heat shielding materials as insulators for solid propellant rocket motors: a short review. Open Chemistry, 2020, vol. 18, no. 1, pp. 1452–1467. https://doi.org/10.1515/chem-2020-0182
  7. Yan L., Zou H., Chen Y. et al. In situ construction of fiber-supported micro-porous char structure to enhance anti-ablative performance of silicone rubber composites. Polymers for Advanced Technologies, 2021, vol. 32, no. 8, pp. 2899–2907. https://doi.org/10.1002/pat.5301
  8. Каблов В.Ф., Новопольцева О.М., Кочетков В.Г. и др. Физико-механические, теплофизические и огнезащитные свойства эластомерных композиций на основе этиленпропиленового каучука, наполненных полыми алюмосиликатными микросферами. Журнал прикладной химии, 2017, т. 90, № 2, с. 236–240.
  9. Kraev I.D., Popkov O., Shuldeshov E.M. et al. Prospects for the use of organosilicon elastomers in the development of modern polymer materials and coatings for various purposes. Proc. VIAM, 2017, no. 12, pp. 5–5. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2017-0-12-5-5
  10. Полоник В.Д., Прокопчук Н.Р., Шашок Ж.С. Свойства эластомерных композиций с фторсодержащей добавкой. Труды БГТУ. № 4. Химия, технология органических веществ и биотехнология, 2013, т. 4, с. 141–143.
  11. Тимофеева С.В., Малясова А.С., Хелевина О.Г. Защитные материалы пониженной пожарной опасности. Пожаровзрывобезопасность, 2010, т. 19, № 10, с. 25–29.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.