固体发动机壳体树脂基复合材料与橡胶绝热层共固化特性研究

In this project, a co-curing system for the solid rocket engine shell, which is composed of EPDM insulation layer and carbon fiber/epoxy composite material, is investigated on the base of temperature field, co-curing behavior. Curing reaction kinetics and its thermal effects are analyzed by designing the structure of curing agents for EPDM and epoxy resin respectively. Based on the diffusion behavior of aromatic amine curing agent in epoxy system through the interface of carbon fiber/epoxy composite, the effects of aromatic amines on free radical activity in EPDM are investigated. A radio frequency (RF) heated curing device is established, and suitable peroxide vulcanization system for EPDM are chosen to adapt to the RF curing of epoxy resin. Based on the TRUST-TECH method combined with the on-line temperature monitoring, a thermal coupling temperature field distribution model, which involves both external heat and intrinsically chemical reaction heat, is established.A design criteria of co-curing system will be proposed to optimize the curing agent system of solid rocket motor shell, to improve the crosslinking degree of EPDM, to reduce the interfacial stress between the insulation layer and the carbon fiber/epoxy composite material, thus improving the comprehensive performances of the solid rocket engine shell. The research of this project will provide basic theoretical support for the technological innovation of Chinese new generation of high performance composite shell.

固体火箭发动机在航空、航天、武器装备等国家重大战略发展各领域中发挥着至关重要的作用，共固化是新一代固体火箭发动机壳体急需解决的主要科学问题和关键技术问题。本项目以三元乙丙橡胶绝热层（EPDM）和碳纤维/环氧复合材料构成的固体火箭发动机壳体共固化体系为研究对象，从共固化体系的温度场分布、共固化行为等角度出发，通过设计EPDM和环氧树脂的固化剂结构，探讨固化反应动力学及其热效应；研究芳胺固化剂在界面上扩散及其对EPDM自由基活性的影响规律；构建与环氧树脂射频固化方式相适应的EPDM过氧化物硫化体系、建立射频固化加热装置；采用TRUST-TECH方法结合温度在线监测，建立共固化外源热-化学反应热耦合温度场分布模型，优化固体火箭发动机壳体的固化剂体系和固化制度，提高EPDM的交联度，提高固体火箭发动机壳体的综合性能，为我国新一代复合材料壳体的技术创新提供基础理论支持。

固体火箭发动机在航空、航天、武器装备等国家重大战略发展各领域中发挥着至关重要的作用，共固化是新一代固体火箭发动机壳体急需解决的主要科学问题和关键技术问题。. 本项目以三元乙丙橡胶绝热层（EPDM）和碳纤维/环氧复合材料构成的固体火箭发动机壳体共固化体系为研究对象，从共固化体系的共固化行为等角度出发，通过设计EPDM和环氧树脂的固化剂结构，探讨固化反应动力学及其热效应；研究芳胺固化剂在界面上扩散及其对EPDM自由基活性的影响规律；优化固体火箭发动机壳体的固化剂体系和固化制度，提高EPDM的交联度。.取得的成果：① 对于CFRP与EPDM共固化体系来说，最适合EPDM的硫化体系是DCP硫化体系，而与之相匹配的环氧树脂硫化体系是MPD。通过共固化方法可以减少制备步骤，大大地提高CFRP与EPDM之间的粘接性能，同时提CFRP的90%残余质量的温度并且最大程度的保留CFRP与EPDM各自的性能。② 确定了CFRP与EPDM复合材料之间的粘接机理，主要是通过环氧树脂在高温条件下的扩散作用，此时环氧树脂的粘度下降较大从而具有了较好的流动性，在其凝胶反应发生之前向EPDM中发生了一定深度的扩散，在其凝胶后与CFRP与EPDM之间形成了一定厚度的混合层，从而在CFRP与EPDM之间提供了良好的粘接强度，而且该混合层的形成与橡胶硫化体系，高温固化时间与固化温度无关。③ 确定了CFRP与EPDM复合材料最佳的制备工艺为80 °C/30 min + 130 °C/150 min + 160 °C/20 min，在此条件下，不同硫化体系的三元乙丙橡胶交联链加悬尾链的质量百分比超过了90%，并且CFRP与EPDM之间的粘接强度均大于2.0 N/mm，而且在此条件下最大限度的保证了环氧树脂的固化程度，CFRP的层间剪切强度达到了84.8 MPa。④ 研究发现，通过在EPDM橡胶中添加马来酸酐接枝EPDM能提高三元乙丙橡胶与碳纤维/环氧树脂基复合材料共固化体系的界面粘接强度，其中20%的添加量为最佳，界面粘接强度从1.54N/mm提高到2.69N/mm。.该研究对于提高固体火箭发动机壳体的综合性能，为我国新一代复合材料壳体的技术创新提供基础理论支持有重要的科学意义或应用前景。