摘要
为了减少复合材料壳体成型缺陷并优化壳体缠绕工艺，本文采用显微镜观察了较低硫化成型压力下EPDM绝热层内部致密性的变化情况，研究了硫化成型压力对EPDM绝热层本体性能和界面粘接性能的影响规律。结果表明，当成型压力小于0.15 MPa时，硫化后绝热层的内部不致密，存在较多孔隙，表现为密度、力学性能和烧蚀性能均较低；随着硫化成型压力增加，孔隙率逐渐减少直至消失，本体性能和界面粘接性能亦达到一个较高的稳定值，满足使用要求。
橡胶制品硫化成型时，由于生胶料中包含的水分蒸发以及所包含的空气的释出，导致产生一种内压力，这种内压力使胶料易出现气孔。为了防止该现象的发生，硫化时就必须施加大于胶料可能发生内压力的硫化压
以EPDM橡胶为基材的绝热层材料由于具有较低的密度和优良的耐老化性能和力学性能，从20世纪90年代开始广泛应用于固体火箭发动机壳体
随着我国战略战术导弹的高速发展，解决固体发动机壳体的孔隙、脱粘和分层等问题愈发迫在眉睫。在掌握壳体材料固化成型反应机理的理论基础上，研究固化工艺参数对材料性能的影响规律，为优化壳体的成型工艺提供设计依据，是解决壳体缺陷问题的关键技术。
温度、压力和时间是橡胶基绝热层硫化成型的三个关键参数，其中的温度和时间因素容易控制和调节，而压力条件则与硫化成型方式密切相关。
常用的绝热层的硫化成型方式主要包括：模压成型、纤维缠绕共固化成型、热压釜硫化成型等，其中的模压成型和热压釜成型工艺易于通过设备控制绝热层的硫化压力，而纤维缠绕共固化成型时绝热层承受的压力主要来自纤维缠绕时的张力，这个力值通常较小（<1 MPa）、不稳定、不直观。而且，实际应用也表明，压力是造成壳体成型缺陷的关键因素，纤维丝束缠绕在绝热层未硫化胶表面的张力值应适中，若张力值过大，纤维丝束会嵌入绝热层未硫化胶内，造成材料间的不规则流动；若张力值过小，则在成型后可能出现绝热层内部空穴缺陷、界面分层脱粘等质量问
本文研究了较低硫化压力下EPDM绝热层的内部孔隙率、本体性能和粘接性能的变化规律，以期为减少复合材料壳体成型缺陷、优化壳体缠绕工艺提供指导。
三元乙丙橡胶（EPDM）：第三单体乙叉降冰片烯（ENB），中石油吉林石化分公司；芳纶短纤维：芳纶1414，长度为5～6 mm，中蓝晨光化工研究院；过氧化二异丙苯（DCP）：工业级，国营太仓塑料助剂厂；气相白炭黑（HL-380）：工业级，宜昌汇富硅材料有限公司；其他促进剂、补强填料和阻燃填料若干。
XK-160开放式炼胶机，无锡双象橡塑机械有限公司；XLB-D500*500/1 000橡胶平板硫化机，宁波千普机械制造有限公司；GW-3型电热鼓风干燥箱，上海实验仪器厂有限公司； LX-A型橡胶硬度计，上海市轻工业局标准计量管理所；UTM型力学拉伸试验机，深圳三思纵横科技股份有限公司；YS-2型氧-乙炔烧蚀机，西安航天复合材料研究所；MSBTVTY型数码电子显微镜，北京爱迪泰克科技有限公司。
将EPDM橡胶和各种填料助剂在开炼机上混炼均匀，出片备用。按照不同试样的受力面积计算出不同压力下的承重载荷，施加特定载荷后，在烘箱内制备相应的密度、力学性能、烧蚀性能和粘接性能等硫化试样。成型温度：室温→160 ℃/2 h→降至室温。
试验的绝热层配方由EPDM橡胶、芳纶纤维、补强填料、阻燃剂、工艺助剂和过氧化物硫化剂等组成。该绝热层经160 ℃×10 MPa×1 h常规工艺模压硫化后的本体性能和层间粘接性能见
| 本体性能 | 层间粘接性 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
|
密度 /g·c |
拉伸强度 /MPa |
伸长率 /% |
线烧蚀率 /mm· |
邵尔 硬度 |
粘接强度/MPa （EPDM生/EPDM生） | |
| 1.045～1.050 | 6～9 | 500～700 | 0.10～0.12 | 72～75 | 3.5～5.5 | |
注： 1）EPDM生为EPDM绝热层未硫化片。
试验中降低绝热层的硫化成型压力范围，考察了绝热层本体性能和层间粘接性能的变化情况。
成型压力在0.03～0.22 MPa范围内变化时，EPDM绝热层的密度变化规律见
图1 成型压力对绝热层密度的影响
Fig.1 Effect of molding pressure on insulation density
在较低压力（≤0.12 MPa）硫化时，绝热层的密度较低，随着硫化压力增加，密度亦达到接近
成型压力在0.07～0.25 MPa范围内变化时，EPDM绝热层的力学性能变化规律见
（a） 抗拉强度
（b） 伸长率
图2 成型压力对绝热层力学性能的影响
Fig.2 Effect of molding pressure on mechanical properties of insulation
发动机壳体绝热成型时，需按不同部位的厚度设计要求进行绝热层贴片，而绝热层较厚的部位通常由多层绝热层复合而成，因此，在复合材料壳体共固化成型的同时，绝热层层间也必须实现可靠粘接。
试验成型压力在0.10～0.25 MPa变化时，EPDM生／EPDM生界面粘接性能的变化情况见
图5 成型压力对绝热层层间粘接性能的影响
Fig.5 Effect of molding pressure on interface adhesive properties of the insulation
采用显微镜观察了成型压力在0.03～0.20 MPa变化时，EPDM绝热层内部孔隙率的变化情况，结果见
图6 成型压力对绝热层孔隙率的影响 180×
Fig.6 Effect of molding pressure on insulation porosity 180×
采用质量法测量得到成型压力对绝热层孔隙率的影响规律见
| 成型压力/MPa | 绝热层孔隙率/％ |
|---|---|
| 0.03 | 20.02 |
| 0.05 | 18.13 |
| 0.07 | 18.00 |
| 0.10 | 9.04 |
| 0.12 | 0.29 |
| 0.15 | 0 |
| 0.17 | 0 |
| 0.20 | 0 |
综上所述，施加较高的硫化压力能够消除绝热层的内部气孔，提高胶料的致密性，从而改善硫化胶的许多物理机械性能。尽管成型压力对绝热层本体性能和界面粘接性能的影响程度略有差别，但综合成型压力对绝热层各项性能的影响规律研究结果，建议工程应用时EPDM绝热层的硫化成型压力不应小于0.2 MPa。最终对硫化压力的选取还应根据绝热层胶料的配方特点、流动性、产品结构等来决定。
根据上述工艺试验结果，调节了某型号复合材料壳体纤维缠绕参数，优化了EPDM绝热层的硫化成型工艺，确保绝热层在硫化过程中的压力不小于0.2 MPa。工艺优化前后复合材料壳体的解剖情况对比见
（a） 筒段1.6 mm厚绝热层（优化前）
（b） 筒段1.6 mm绝热层（优化后）
（c） 筒段4 mm厚绝热层（优化前）
（d） 筒段4 mm绝热层（优化后）
图7 工艺优化前后复合材料壳体的解剖情况
Fig.7 Anatomy of composite shell before and
after process optimization
（1）硫化成型压力对绝热层的本体性能和界面粘接性能影响较明显。低于0.2 MPa的压力下硫化时，绝热层的各项性能显著低于正常水平；当压力高于0.2 MPa时，方可达到与
（2）显微镜成像结果表明，当成型压力小于0.12 MPa时，硫化后绝热层的内部不致密，存在较多孔隙缺陷；随着硫化成型压力增加，绝热层的孔隙率逐渐降低，当成型压力≥0.15 MPa时，绝热层内部的孔隙基本消失；
（3）综合成型压力对绝热层本体性能和界面粘接性能的影响规律，建议工程应用时EPDM绝热层的硫化成型压力不小于0.2 MPa。
参考文献
梁星宇，周木英，橡胶工业手册（第三分册）［M］.北京：化学工业出版社，1996：1124-1126 [百度学术]
LIANG Xingyu，ZHOU Muying.Handbook of rubber industry（Vol.3）［M］.Beijing：Chemical Industry Press，1996： 1124-1126. [百度学术]
KOLE S，BHATTACHARYA A K， BHOWMICK A K，et al. Influence of curative， filler， compatibilizer， domain size，and blend ratio on the dynamic mechanical properties of silicone-EPDM blends［J］.J Appl Poly Sci，1993，48（3）：529 [百度学术]
HERRING L Q.Elastomeric insulating materials for rocket motors ［P］.US，USP，4，501，841.1985-02-26 [百度学术]
YEZZI C A， MOORE B B.Characterization of Kevlar/EPDM rubbers for use as rocket motor case insulators ［A］.AIAA/AS ME/SAE/ASEE 22nd joint Propulsion Conference［C］.Newyork， USA：AIAA，1986-01 [百度学术]
庞爱民. 固体火箭推进剂理论与工程［M］. 北京： 中国宇航出版社， 2014： 401-402. [百度学术]
PANG Aimin. Solid rocket propellant theory and engineering［M］.Beijing：China Aeropace Press， 2014：401-402. [百度学术]
KESIYA G，BISHNU P，SMITA M， et al. Recent developments in elastomeric heat shielding materials for solid rocket motor casing application for future perspective［J］. Polymer Advance Technology， 2018， 29： 8-21. [百度学术]
刘辉，曾金芳，余惠琴，等，耐烧蚀柔性绝热层材料的研究现状及发展趋势，［J］.特种橡胶制品，2019，40（3）：60-64. [百度学术]
LIU Hui， ZENG Jinfang，YV Huiqin，et al. Research status and development tendency of ablation resistance-flexibility-heat insulation lay materials［J］.Special Purpose Rubber Products， 2019，40（3）：60-64. [百度学术]
宋远佳，张炜，杨正伟，等，固体火箭发动机壳体脱黏缺陷的热波检测［J］. 深圳大学学报理工版，2012，29（3）：252-257. [百度学术]
SONG Yuanjia， ZHANG Wei， YANG Zhengwei，et al.Debond defect detection in shell of solid rocket motor by thermal wave nondestructive testing［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2012，29（3）：252-257. [百度学术]
