燒蝕降解

燒蝕降解即燒蝕材料的熱降解。

高性能有機矽燒蝕隔熱材料的研究結果，其合成的GS-401燒蝕有機矽樹脂具有成碳率高，碳層光滑堅硬，耐高壓、高速氣流沖刷，燒蝕隔熱性能好，固化溫度較低，醇溶，對基材附著牢固和施工工藝方便等特點。

GS-401有機矽樹脂的熱降解反應表現出下列特點：甲基取代基的熱穩定性比苯基高，主鏈熱穩定性高，成碳率商，因此GS-401樹脂具有較好的燒蝕性能。

基本介紹

• 中文名：燒蝕降解
• 含義：燒蝕材料的熱降解。
• 常見材料：高性能有機矽燒蝕隔熱材料
• 優勢：光滑堅硬，耐高壓、高速氣流沖刷
• 領域：有機材料

燒蝕有機矽樹脂熱降解

高性能有機矽燒蝕隔熱材料的研究結果，其合成的GS-401燒蝕有機矽樹脂具有成碳率高，碳層光滑堅硬，耐高壓、高速氣流沖刷，燒蝕隔熱性能好，固化溫度較低，醇溶，對基材附著牢固和施工工藝方便等特點。它克服了一般有機矽樹脂高溫條件下呈熱塑性，成碳率低，碳化層結構鬆散，不耐沖刷等缺點，因而使有機矽樹脂從只能用於低熱流和低剪下速度條件下的燒蝕隔熱，發展到可用於高熱流和高剪下速度條件下的燒蝕隔熱。

為了探討有機矽樹脂的燒蝕性能和高溫下熱降解反應之間的關係，研究了GS-401有機矽樹脂熱降解反應。關於有機矽熱降解反應動力學方面的工作，在矽橡膠、梯形聚合物和三官能度有機矽及金屬有機矽氧烷等方面已有報導。

GS-401樹脂主鏈斷裂溫度較高。比較分析熱重、差熱和紅外光譜分析數據，我們發現，GS-401樹脂主鏈Si-O-SI基本上在750℃以上斷裂。空氣中770~780℃有一明顯吸熱峰，相應地在紅外光譜圖上出現了主鏈的明顯斷裂。顯然，GS-401樹脂主鏈具有較高的熱穩定性，這與側鏈有機取代基的熱穩定性有關。從各種降解溫度下的紅外光譜的特徵吸收和解析結果發現，在整個熱降解過程中，即空氣25~940℃，氮氣25~775℃，這種樹脂的甲基比苯基的熱穩定性高。

無論在空氣介質中，還是在氮氣介質中，通過紅外光譜定量測得的甲基與苯荃之比，隨溫度升高而增大，即苯基降解速度與甲基降解速度之比，隨溫度升高而增大。在降解的開始階段，甲基與苯基之比變化比較緩慢，而接近500℃以後，變化很快。在500℃時，苯基的降解速度比甲基快一倍以上。從紅外光譜也可以明顯看出，苯基在600℃時已全部消失，而甲基在750℃（空氣中）和775℃（氮氣中）仍有存在。甲基的最後全部消失與主鏈的斷裂是同時進行的。在整個熱降解過程中，矽上的甲基表現出來的比苯基更穩定的特點，是一般有機矽樹脂所不具有的。

因此，認為增加有機矽樹脂中苯基含氫就一定會有助於改進和提高其熱穩定性的觀點，至少是不全面的。我們的工作說明，過高地提高苯基含量，無助於改進樹脂的熱穩定性對燒蝕隔熱性能是無益的。

有意義的是，這種甲基與苯基的變化規律和成碳情況是一致的。當苯基從紅外光潛上消失，剩有少量甲基時，正好是樣品從桔黃色向黑色轉化的過程，即空氣中600~700℃時。這就是說，這種樹脂之所以熱失重小、成碳率高，關鍵在於成碳過程中甲基的存在。熱降解過程中，甲基的相對穩定和存在，對脫落下的苯基不易成苯蒸氣逸出，而易脫氫成碳。

燒蝕材料

航天飛行器（飛彈、火箭、飛船等）以高超音速衝出大氣和返回地面（再入）時，在氣動加熱下，其表面溫度高達4000～10000℃ ；固體和液體火箭發動機工作時，燃燒室產生的高溫高速氣流沖刷噴管，燒蝕最苛刻的喉襯部位溫度瞬間可超過3000℃。所以有多種熱防護方法。

熱防護方法的分類

熱防護方法主要有：①吸熱法，採用質量大、比熱容高的金屬，但因其質量大，而且高溫下易熔融變形，現已被淘汰；②輻射法，採用輻射率高、吸收率低的難熔金屬，但在高熱流條件下套用受到限制；③燒蝕法，在熱流作用下，材料本身能發生分解、熔化、蒸發、升華等多種吸熱的物理化學變化，借材料自身質量消耗帶走大量熱量，從而阻止熱傳導到材料的內部結構中。這是目前套用最為廣泛的熱防護方法。

燒蝕材料的分類及評價方法

1、燒蝕材料的分類

燒蝕材料按燒蝕機理分為升華型、熔化型和碳化型3類。聚四氟乙烯、石墨和碳/碳複合材料屬於升華型。這些材料在高溫下升華，帶走大量熱量，而且碳是一種輻射係數較高的材料，因而具有很好的抗燒蝕性能。不過這類材料的隔熱性能較差，加上這類材料的成本較高，限制了其更廣泛的套用。石英和玻璃屬於熔化型燒蝕材料。這些材料在高溫下熔化吸收熱量，而且熔化後形成的SiO₂液態膜具有抗高速氣流沖刷的能力，不過這類材料的工藝性較差，不適合成型大面積防熱套。纖維增強樹脂複合材料屬於碳化型燒蝕材料。它是以纖維或布作為增強材料，以樹脂為基體製成複合材料。這類材料主要利用高分子材料在高溫下碳化吸收熱量，並進一步利用其形成的碳化層輻射散熱。這3類材料中，以碳化型燒蝕材料套用最多。

2、燒蝕材料的評價方法

對燒蝕材料的評價，從兩個層面上展開，即性能測試和模擬試驗。性能測試主要包括以下四個方面：①比熱。比熱大的材料在燒蝕過程中可以吸收大量的熱量；②熱導係數。熱導係數低的材料能使高溫部分僅限於表面，導致熱量難以傳入內部結構中去；③燒蝕速度。材料在高溫環境中的燒蝕速度要小；④密度。密度小的材料在航天航空領域中能最大限度地減少結構件的總質量。

對燒蝕材料的進一步評價通過模擬試驗。模擬試驗主要包括以下6種方法：①小型固體火箭發動機靜試。②小型液體發動機燃燒實驗。③風洞測試。④等離子燒蝕測試法。等離子燒蝕方法是目前固體火箭發動機用C/C複合材料燒蝕實驗最常用的方法之一。主要是通過採用相對穩定的等離子射流（溫度高達3500℃以上），垂直於材料表面進行燒蝕。⑤電弧駐點燒蝕測試法。電弧駐點燒蝕測量法具有可以模擬材料工作時的真實燒蝕環境，根據需要添加各種沖刷粒子，系統可靠，可重複性好等優點，也是國內外普遍採用的燒蝕方法。⑥氧-乙炔測試法。氧-乙炔測試法是目前樹脂基複合材料燒蝕試驗最常用的方法。該試驗方法是用氧-乙炔焰垂直於試樣表面燒蝕。

燒蝕材料發展方向

現代彈箭武器和航天技術的發展，對燒蝕材料提出了更高的要求，燒蝕材料今後的發展方向為：

（1）開發新的耐高溫增強體纖維以及耐燒蝕性能好、成炭率高的新型樹脂基體；絕熱與結構一體化設計，使複合材料具有雙重功能。

（2）探索燒蝕材料新的表征方法，更真實的表征燒蝕材料的實際狀況。

（3）開發新的碳/碳複合材料成型工藝，進一步降低碳/碳複合材料的生產成本，拓寬碳/碳複合材料的套用領域。

（4）使用納米技術對樹脂基體的性能進行改良，提高材料抵抗高溫氣流沖刷的能力。