第51卷第6期2021年6月
涂料工业
PAINT &C O A T I N G S INDUSTRY
Vol. 51 No. 6
Jun. 2021
高超，闫雪，贺晨，李博乾，王奥
(航天材料及工艺研究所，北京100076)
摘要：针对树脂基复合材料发射筒需要在高温燃气环境可重复使用的热防护需求，设计并制 备了一种能抵御高温、强冲刷环境的热防护涂层。首先研究了硅橡胶分子结构对其耐热性的影响，然后分析了功能填料对硅橡胶涂层烧蚀产物强度提升的作用，确定了以硅橡胶为基体、多种填料复 配的涂层体系；最后，通过等离子火焰对涂层的耐烧蚀性能进行了考核。结果表明：硅橡胶结构中苯 基的引人可以大幅提 升其耐热性；以白炭黑、玻璃纤维和滑石粉进行复配，当功能填料的添加量为硅 橡胶的60%时，热防护涂层密度约1.2 g/c m3，拉伸强度4.0 M P a。2 m m涂层通过了最高火焰温度 2 000丈的等离子火焰烧蚀考核，涂层可重复使用至少4次。
关键词：发射筒；强冲刷；硅橡胶；功能填料；涂层；等离子火焰烧蚀
中图分类号:T Q637. 6 文献标识码：A文章编号:0253-4312(2021 )06-0075-05
doi：10. 12020/j.issn.0253-4312. 2021.6. 75
Preparation and Performance of Thermal Protective Coatings
for Reusable Launch Canister
我们相爱6年G a o C h a o，Y a n X u e，H e C h e n, L i B o q i a n，W a n g A o
(Aerospace Research Institute of M aterials & Technology, Beijing100076, China)
A b s t r a c t：T h e l a u n c h c a n i s t e r h a s b e e n u n d e r t h e h i g h p r e s s u r e,h i g h t e m p e r a t u r e,s t r o n g c o m b u s t i o n g a s e r o s i o n w h e n t h e m i s s i l e is l a u n c h
e d.F o r t h e r e c y c l e u s e o f r e s i n-b a s e d c o m p o s i t e m a t e r i a l s,a t h e r m a l p r o t e c t i v e c o a t i n g s w i t h e x c e l l e n t t h e r m a l r e s i s t a n c e a n d b u r n t g a s e r o d e r e s i s t a n c e w a s d e s i g n e d a n d p r e p a r e d.F i r s t l y,t h e i n f l u e n c e o f t h e m o l e c u l a r s t r u c t u r e o f s i l i c o n e r u b b e r o n its t h e r m a l d e c o m p o s i t i o n p e r f o r m a n c e w a s s t u d i e d.T h e n,t h e effect o f f u n c t i o n a l fillers o n t h e i m p r o v e m e n t o f t h e s t r e n g t h o f a b l a t i o n r e s i d u e o f s i l i c o n e
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F i n a l l y,t h e a b l a t i o n r e s i s t a n c e o f t h e t h e r m a l p r o t e c t i v e c o a t i n g s w a s e v a l u a t e d l)y p l a s m a
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,K i超等：可重复使用发射简热防护涂层的制备及性能研究
K e y w o r d s：l a u n c h c a n i s t e r;s t r o n g c o m b u s t i o n g a s e r o s i o n;s i l i c o n e r u b b e r;f u n c t i o n a l filler;c o a t i n g s;p l a s m a f l a m e a b l a t i o n
发射筒是导弹发射重要的地面装备之一，发射 过程中，高温、高速、欠膨胀燃气流作用在发射筒筒 体后段内部，导致发射筒会承受高压、高温燃气冲 击1H。早期的发射筒多采用普通钢或合金钢制造，由于钢的相对密度高，发射筒质量普遍比较高为了提高发射车的机动性，发射筒的结构减质量十
分 必要|31。目前，多采用玻璃纤维或碳纤维增强树脂制 成的复合材料来制造发射筒，复合材料的比强度和 比模量高，是减轻发射筒质M的重要途径，但其耐温 性较差，难以满足发射筒的可重复使用需求，因此，热防护材料性能的优劣至关重要
现有发射筒用热防护涂层主要用于低温、低速 燃气防护，在高温、高速燃气冲刷环境下，容易出现 鼓包、剥落等问题，每次发射任务完成后需要对涂层 进行修补.十分不便。烧蚀防热涂层通过高温下产 生的热阻塞效应、化学吸热效应等机制可阻止热量 向材料内部传导，实现对基体材料的热防护，具有防 热效果优异、施T工艺简单、成本低廉等特点|4^。
本研究通过优选硅橡胶分子结构，以耐热性好 的甲基双苯基硅橡胶为树脂基体，通过补强填料、增 强纤维和成瓷填料等的复配，制备了 一种能满足高 温、高速燃气环境可重复使用需求的热防护涂层，并 对其耐烧蚀性能进行了考核，以期解决现有热防护 涂层剥落导致的烧蚀后退等问题。
1实验部分
1.1实验原料与仪器
甲基硅橡胶（107,7 P a*S)、甲基双苯基硅橡胶 (108,7 P a*s)、固化剂正硅酸乙酯、催化剂二月桂酸 二丁基锡：中蓝晨光化T J开究设计院有限公司；白炭 黑：德国M创工业集团；玻璃纤维：德闰朗盛集团；滑 石粉：国药集团化学试剂有限公司。
热重分析仪：S T A 449 F3，德国N e t z s c h公司；高速分散机:S W F S-400，上海索维机电设备有限公司；万能拉力机：C M T6104，美斯特T.业系统（中国）有限 公司；扫描电子显微镜：Q u a n t a F E G650，美国F E丨公司；邵氏硬度计:L X-A，温州山度仪器有限公司。
1.2硅橡胶的固化
分别取100 g l07硅橡胶和108硅橡胶，按比例加入同化剂和催化剂，手T.搅扑均勻后分别将其倒入 涂覆有聚四氟乙烯的模具中，室温放置7 d固化后得 到硅橡胶胶片。
1.3热防护涂层的制备
取100 g甲基双苯基硅橡胶，加人一定量的补强 填料（A炭黑）、增强纤维(玻璃纤维）和成瓷填料（滑 石粉），其中功能填料的添加配方如表1所示。将上 述原料用高速分散机在转速1 000 r/m i n下搅拌30 m i n，使其分散均匀，得到热防护涂料A组分；按一 定比例加入108硅橡胶的同化剂和催化剂，搅拌均勻 后将其倒人有聚四氟乙烯的模具中，室温放置7 d固化后得到热防护涂层:
表1功能填料添加配方
T a b l e 1F o r m u l a o f f u n c t i o n a l filler
项目配方丨配方2配方3配方4配方5 m(A炭黑)/g20 20 20 20
m(玻璃纤维)/g20 40 20
m(滑石粉)/g20
1.4性能测试
热失质量分析(T G)：采川热重分析仪对固化后 硅橡胶的耐热性进行表征，氮气气氛，试验温度为室 温~80() t：，升温速率为10 t/m i n；邵A硬度：使用邵 氏硬度计进行测量；拉伸强度：参照G B/T528—2009 对热防护涂层的拉伸强度进行测试；形貌分析：采用 扫描电子显微镜对热防护涂层的形貌进行表征；等 离子火焰烧蚀：参照G J B 323A_1996对热防护涂层 的耐烧蚀性能进行表征。
2结果与讨论
2. 1硅橡胶分子结构对涂层耐热性的影响
分別对同化后的甲基硅橡胶和甲基双苯基硅橡 胶进行热失质量分析，其T G曲线和D T G曲线如图1所示
从图1可以看出，随着温度的增加，甲基硅橡胶 和中基双苯基硅橡胶的质量损失不断增加。其中，甲基硅橡胶的热分解基本可以分为2个阶段，第1、第 2阶段分别发生于320〜450 t和450~590丈，
甲基硅
中国革命之歌
温度A ：温度/t
l ;ig .---------107；---------108
图1硅橡胶热失质量曲线
TG and DTG c urv es of I lie silironc rubber
A
橡胶的质量保持率分别降为78%和2%。甲基双苯 基硅橡胶的热分解则可以分为3个阶段，第丨、第2、 第3阶段分别发生于180~360 X ：、360~540尤、540~ 670丈，甲基双苯基硅橡胶的质量保持率分别降为 91%、61%、25%。主要是因为在硅橡胶侧基引入苯 基，能够大幅提升其高温下的质量保持率，从而提升 桂橡胶的耐热性。分別将同化后甲基硅橡胶和甲基双苯基硅橡胶 在马弗炉中于不同温度下进行烧蚀，时间均为5 m m , 其质M 残留和烧蚀形貌分别如表2和图2所示。表2硅橡胶在马弗炉中于不同温度下烧蚀后的质 量残留
T able 2 R esidual m ass o f silicone rubber after ablation in m uffle furnace at different tem peratures 项目
烧蚀温度A ：400500600 800质量107硅橡胶93580 1残留/%108硅橡胶905619 23
(a)—107硅橡胶
(b)—108硅橡胶
图2 硅橡胶在马弗炉中于不同温度下烧蚀后的形貌
Fig. 2 Morphology of silicone rul3ber ablated in muffl<* furnace at different temperatures
由表2可以发现，有氧环境下硅橡胶的热分解质 量损失较惰性气体气氛下更为严重甲基双苯基硅 橡胶尽管与甲基硅橡胶相比具有更好的耐温性，但 其高温下产物仍然无法维持基本形态，随着温度的 增加，甲基双苯基硅橡胶尺寸逐渐减小，800 t 烧蚀后，基本变为粉末状。2.2功能填料对硅橡胶热防护涂层烧蚀产物 强度的影响从甲基双苯基硅橡胶烧蚀产物的形态来看，无 法抵御强气流的剪切与冲刷作用因此，
需要通过
添加功能填料来提升其烧蚀维形能力和烧蚀产物强 度。向甲基双苯基硅橡胶中加入一定比例的功能填 料，在800^马弗炉中烧蚀5 m i n，研究不同填料复配 后对甲基双苯基硅橡胶烧蚀维形性能的影响，结果 如表3所;
表3功能填料对硅橡胶烧蚀维形性能的影响
T a b l e3 T h e effect o f f u n c t i o n a l fillers o n a b l a t i o n o f silicone r u b b e r
1项目配方丨配方2配方3配方4配方5
外观粉化轻微
开裂
小
裂纹
无
裂纹
无
裂纹
烧蚀前尺寸/m m2525252525
烧蚀后尺寸/m m22-2324 〜2524 〜25邵A硬度45637486
从表3可以看出，以白炭黑作为补强填料，可 以显著提升甲基双苯基硅橡胶的烧蚀维形能力，但 其烧
蚀产物仍然存在轻微的开裂，且其烧蚀产物尺 寸有明显的收缩。在添加补强填料的基础上，玻璃 纤维的加人具有一定的改善烧蚀开裂的作用，且随 着玻璃纤维添加量的增加，其抑制开裂的作用变得 更为有效；玻璃纤维的加人还在一定程度上提升了 烧蚀产物的硬度，从而提升了其强度。此外，在添 加少量增强纤维的基础上，继续添加滑石粉，甲基 苯基硅橡胶的烧蚀开裂问题也能得到解决，且其烧 蚀产物的硬度得到明显提升。这主要是由于玻璃 纤维和滑石粉高温下能够与硅橡胶基体实现共熔 融，完成涂层体系从有机向无机的陶瓷化转变，从 而实现烧蚀产物强度的提升。因此，以白炭黑、玻 璃纤维和滑石粉作为复配多元填料体系，制备得到 的热防护涂层维形能力优异，且烧蚀产物强度更高。
2.3热防护涂层综合性能分析
禅宗思想以甲基双苯基硅橡胶为树脂基体，添加20%的白炭黑、20%的玻璃纤维和20%的滑石粉，得到的热 防护涂层密度约为1.2 g/c m\拉伸强度约为4.0 M P a，其微观形貌如图3所示。
从图3可以看出，热防护涂层中的各功能填料 在甲基双苯基硅橡胶中分散均匀，与甲基双苯基硅 橡胶基体界面良好，没有明显的相分离或不浸润 现象。
以最高火焰温度（2 000 t)对热防护涂层进行
图3热防护涂层微观形貌
Fig. 3 Micro morphology of the thermal protection coating
等离子火焰烧蚀，单次加热时间I s，涂层厚度2 m m。图4分别为烧蚀1次和4次后热防护涂层表 面形貌。
图4热防护涂层等离子火焰烧蚀后形貌
Fig. 4 Morphology of thermal protection coating after plasma flame ablation
由图4可知，烧蚀1次后，热防护涂层表面因烧 蚀产生明显颜变化，没有明显剥落或烧蚀后退；烧 蚀4次后，热防护涂层中心部位出现一定裂纹，但涂 层同样未发生剥落或明显厚度变化，热防护效果良 好。对涂层中心部位烧蚀4次后的表面进行扫描电 镜观察，其微观形貌如图5所示。
图5热防护涂层中心部位烧蚀后微观形貌
Fig. 5 Micro morphology of the center of the thermal protection coating after ablation
结合图3和图5可知，与烧蚀前相比，涂层表面 形成一层多孔熔融层。这是因为各维形填料与甲基 双苯基硅橡胶基体在高温下发生共熔融反应，从而 实现热防护涂层从有机向无机的可瓷化转变。
(下转第84页）
朱琦琦等：基于丨)M A I C模沏的高压开关壳体内表面涂层质i f t改善研究
涂装技术
从表5可知，7号样本评分最低(6. 7分），改进后
的高压开关表面涂层质量满足预先设定的合格
值(6分)。
3结语
通过第二季度D M A I C持续改进模型对高压开关
壳体内表面涂层颗粒难题的改进,X公司第三季度表徒手画
面车间生产壳体18 250件，内表面涂层颗粒打磨率
降低了 52. 7%，在提升壳体内表面涂层质量的同时，
极大地改善了以往壳体需要不断返修打磨的瓶颈问
题。同时，区别于传统单点生产难题改善，本文在使
用传统D M A1C改进流程的同时结合具体工业生产难
题，以定性思维发掘众多潜在难题影响因素，并定量
分析验证制约难题的根本因素，解决了 X公司高压开
关壳体内表面涂层质M难题，可为其他T.业生产质
量难题改进提供参考。
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收稿日期2021 -04-06(修改稿）
(上接第78页）
3结语
本文研究了硅橡胶分子结构对其耐热性的影
响，优选甲基双苯基硅橡胶为树脂基体，通过白炭
黑、玻璃纤维和滑石粉的复配，制备得到的热防护
涂层密度约1.2 g/c m\拉伸强度4.0 M P a。等离子
火焰烧蚀表明，热防护涂层可实现至少4次发射筒
环境高温、高速燃气防护，具有优异的耐烧蚀性能。
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收稿日期202丨-04-07(修改稿）
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