蜂窝增强低密度烧蚀材料是指将空心小球填充的、纤维增强的酚醛-环氧、环氧、有机硅弹性体材料灌注到蜂窝中使用的烧蚀材料[1];材料表面在热流作用下,通过材料自身的分解、熔化、蒸发、升华等物理化学变化带走热量,从而起到降低背壁温度,保护内部结构的作用[2-3]。由于其可靠性高、结构简单、技术成熟、结构质量轻而被应用于载人飞船[4]。低密度烧蚀材料成型通常采用单孔灌注和大面积灌注两种。美国“双子星座”飞船采用振动大面积灌注,“阿波罗”与“猎户座”飞船采用单孔灌注工艺[5-6];我国的神舟飞船采用真空大面积灌注工艺[1]。在灌注前,低密度材料要完成混料、制坯、铺放等灌注准备工作。本文采用环氧改性硅橡胶树脂做基体,研究环境温湿度对低密度烧蚀材料树脂基体黏度的影响,以及基体黏度对低密度烧蚀材料施工工艺和宏观微观形貌的影响。
1 试验 1.1 原材料环氧改性硅橡胶树脂,自制;酸酐A,天津津东化工厂;正硅酸乙酯,二月桂酸二丁基锡,天津化学试剂一厂;填料,蜂窝,自制。
1.2 材料制备 1.2.1 树脂基体制备环氧改性硅橡胶树脂中加入20%的酸酐A,5%的正硅酸乙酯和1%的二月桂酸二丁基锡,搅拌均匀后放入不同温湿度环境中,见表 1。
树脂基体与填料充分混合后制成两块低密度预混料,分别在环境3下放置24 h与35 h,再灌注进带面板的蜂窝,固化后加工成试验件。预混料放置在环境3下24 h后制作的试验件为FH-24,预混料放置在环境3下35 h后制作的试验件为FH-35。
1.3 性能测试黏度测试:采用上海天平仪器厂的NDJ-2G型旋转黏度计每隔2~8 h对树脂基体进行黏度测试。
密度测试:将FH-24与FH-35除去蜂窝的部分加工成10 mm×10 mm×10 mm的立方体,各5个。采用精度为0.1 mg的电子天平测量质量,精度0.01 mm的数显卡尺测量尺寸,计算材料的密度,取平均值。
形貌表征:采用便携式数码显微镜对FH-24、FH-35的宏观形貌拍照,采用扫描电子显微镜对FH-24、FH-35的微观形貌拍照。
2 结果与讨论 2.1 树脂基体的黏度从图 1中可见,低密度材料树脂基体的黏度随着放置时间的延长而变大,且有明显的拐点,拐点后,黏度随时间的变化更快。环境温湿度对低密度材料的树脂体系黏-时特性均有影响。环境1中,低密度树脂体系在50 h左右黏度变化出现拐点;环境2中,低密度树脂体系在25 h左右黏度变化出现拐点;环境3中,低密度树脂体系在30 h左右黏度变化出现拐点。环境温、湿度对树脂流动特性影响显著,即温湿度越高,树脂黏度增稠越快,出现拐点的时间越短。
树脂体系与Si(OEt)4的交联反应机理如图 2所示[7],Si(OEt)4作为化学交联点,与硅橡胶发生缩聚反应,随着反应时间的延长,在第一阶段中逐渐生成二聚体、三聚体,…,多聚体,此阶段为预聚体阶段,此时的预聚体是可溶可熔的;而后第二阶段,随着聚合度的增大,交联度的提高,预聚物逐渐生成不溶不熔的三维网络结构。第一阶段与第二阶段间有一个转变点,转变点前后,交联体系的物理化学性质有明显的改变,使树脂流动特性曲线上出现拐点。
当加入促进剂二月桂酸二丁基锡后,固化历程发生了改变,如图 3所示,首先H2O与Sn原子上最易水解的酯基发生水解,然后Sn原子上的OH基与Si(OEt)4反应,最后Sn原子与Si原子上的OEt上的O原子形成电子授受配位键,使得Si原子具有更强的电正性,容易与树脂基体中端基的SiOH基发生反应。因此环境中H2O的含量会降低Si(OEt)4与硅橡胶反应的活化能。
假设缩聚反应的反应速率常数与聚合物的分子量无关,仅与反应官能团有关,则有
$ \begin{array}{c} R = k\left[ {{\rm{OEt}}} \right]\left[ {{\rm{OH}}} \right]\\ k = A\exp \left( { - \frac{{{E_a}}}{{{\rm{R}}T}}} \right) \end{array} $ |
式中,R为聚合反应速率,[OEt]、[OH]表示反应官能团的浓度,k为反应速率常数,R是摩尔气体常量,T为反应温度,Ea是反应活化能,A为指前因子。则反应活化能的降低、反应温度的提高能够提高反应速率常数,从而提高聚合反应速率。因此,环境温湿度对反应速度有明显的影响,温度越高,湿度越大,聚合反应速度越快。
2.2 工艺性能在环境3下放置24 h与35 h的预混料在进行后续的混料、灌注、固化工艺时没有明显异常,固化后试样密度分别为0.631 g/cm3与0.621 g/cm3,与设计密度相近,无明显异常。图 4是在环境3下放置24 h与35 h的预混料制成样件后的照片。
可以看到,低密度材料全部填充在蜂窝格子内,没有发生灌注不满的情况。图 5是在环境3下放置24 h与35 h的预混料制成样件后材料的放大照片,宏观看两者无区别。
2.3 材料微观形貌图 6是低密度预混料在环境3下分别放置24 h和35 h再进行灌注等后续的工艺制作的样件在电镜下的微观形貌。明显看出,FH-24样件致密,物料分散均匀,而FH-35基体树脂与填料间有许多孔隙,树脂不能很好地浸润填料。从图 6(a)可知,在基体黏度突变点前进行后续预混料灌注工艺的树脂流动性好,能够很好地浸润填料;而图 6(b)是在基体黏度突变点后进行后续预混料灌注工艺,其树脂流动性已经变差,不能充分浸润填料。说明基体黏度对烧蚀材料的微观形貌有明显的影响,在树脂黏度突变点后灌注的低密度材料填料分散性差,树脂浸润性差。说明低密度预混料应该在基体黏度突变前灌注,以保证复合材料达到最优的性能。由于环境温湿度对树脂的黏度行为有影响,因此对施工窗口也产生了影响,环境温度湿度越大,施工窗口越短,环境温度湿度越小,施工窗口越长。
3 结论(1)低密度材料树脂基体的黏度随着放置时间的延长而变大,且有明显的拐点,拐点后,黏度随时间的变化更快。
(2)环境温、湿度对低密度烧蚀材料树脂流动特性影响显著,温湿度越高,树脂黏度增稠越快,出现拐点的时间越短。
(3)黏度对固化后低密度材料的密度与宏观形貌无影响。
(4)基体黏度拐点前制作的样件致密,物料分散均匀;基体黏度拐点后制作的样件纤维分散不均匀,基体树脂与填料间有许多孔隙,树脂不能很好地浸润填料。
(5)低密度预混料应该在基体黏度突变前灌注,环境温度湿度越大,施工窗口越短,反之亦然。
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