论文总字数：23417字

摘 要

可陶瓷化聚合物基复合材料因其特殊的陶瓷化机理和优异的耐高温性能，在航空航天和电气等领域有非常好的发展前景。硅橡胶是最常用的可陶瓷化聚合物基复合材料的基体。有机硅在高温下热解生成的二氧化硅与无机陶瓷颗粒发生共晶反应生成致密的陶瓷体结构，这种结构赋予了复合材料在高温下的力学性能。在复合材料中添加耐高温的纤维增强相可以进一步提高可陶瓷化复合材料的高温性能。

本文综述了可陶瓷化硅橡胶复合材料的概念及内涵，介绍了可陶瓷化硅橡胶复合材料的研究进展以及石英纤维增强材料。设计了制备石英纤维增强可陶瓷化硅橡胶复合材料并研究其性能的实验方案。在调研相关文献并分析其数据的基础上获得各因素对可陶瓷化硅橡胶复合材料性能的影响规律，并对本课题所研究的材料性能趋势进行预测。结论是石英纤维的加入可以增强可陶瓷化硅橡胶复合材料高温耐压缩性能，而且在1000℃附近有较好的增强效果；不同热处理方式对陶瓷材料的力学性能也有不同影响，试样经过快速热处理往往能够得到更高的力学强度。

关键词：可陶瓷化复合材料；硅橡胶；高温性能；压缩强度；性能规律

Abstract

Polymer-based ceramizable composite materials possess bright development prospects in the aerospace and electrical fields due to their special ceramization mechanism and excellent high temperature resistance properties. Silicone rubber is the most used matrix for ceramizable composite materials. The silica produced by pyrolysis of silicone at high temperature reacts with inorganic ceramic particles to form a compact ceramic structure, which leads to the outstanding mechanical properties of composite at high temperature. Adding fibers which obtain high temperature resistant property to the composite material as reinforced phase can improve the high temperature performance of the ceramic material further.

This article reviews the concept and connotation of ceramizable silicone rubber composites. It also introduces the research progress of ceramizable silicone rubber composites and quartz fiber reinforcement materials. An experimental scheme for preparing and studying quartz fiber-reinforced ceramizable silicone rubber composite material was designed. Based on the investigation of relevant literature and studies on its data, the influence of various factors on the properties of ceramizable silicone rubber composites is obtained. Then the material performance trends studied in this topic are predicted. The conclusion is that the addition of quartz fiber can enhance the high-temperature compression resistance property of the composite material. The samples show a good reinforcement effect around 1000℃. Different heat treatment methods also have different effects on the mechanical properties of the ceramic material. Heat treatment in short time usually lead to higher mechanical strength.

Key Words：ceramizable composite materials；silicone rubber；high temperature performance；compression resistance property; performance trends

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2可陶瓷化硅橡胶复合材料概念与内涵 1

1.3可陶瓷化硅橡胶复合材料研究进展 2

1.3.1硅橡胶 3

1.3.2可陶瓷化硅橡胶复合材料的陶瓷化过程 5

1.3.3石英纤维 6

1.4可陶瓷化硅橡胶复合材料的发展趋势 7

1.5本文的研究目的和主要内容 8

第2章 实验方案设计 9

2.1实验原料、设备及配方 9

2.1.1实验用原材料 9

2.1.2实验设备与仪器 9

2.1.3混炼胶配方 10

2.2实验样品的制备 10

2.2.1硅橡胶片的制备 10

2.2.2石英纤维增强硅橡胶复合材料的制备 11

2.2.3石英纤维增强硅橡胶复合材料高温热处理试样制备 12

2.3样品性能的测试方法 12

2.3.1密度测试 12

2.3.2微观形貌分析 13

2.3.3 热稳定性分析 13

2.3.3陶瓷材料压缩性能测试 13

第3章 复合材料高温性能研究与结果分析 14

3.1纤维对可陶瓷化硅橡胶复合材料高温性能的影响 14

3.2热处理方式对硅橡胶陶瓷材料压缩性能的影响 19

第4章 结论及预测 21

4.1各因素对纤维增强可陶瓷化硅橡胶性能的影响规律总结 21

4.2石英纤维增强可陶瓷化硅橡胶复合材料性能预测 21

参考文献 23

附 录 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1引言

航空航天科学技术自其形成以来，不断汲取科学领域的最新成就，综合了工艺技术的最新成果，并引领着许多学科专业的发展。航空航天技术的深入发展对制造飞行器所用的材料提出了严苛的要求。飞行器高速飞行时，其表面和内部动力装置都承受着高温应力。当飞行器在重返大气层时与空气发生强烈摩擦，外表面壳体温度达到1000℃以上。用于制造壳体的材料需要具备良好的力学性能和耐高温性能。此外，被广泛应用于国防系统和卫星发射助推器的固体火箭发动机(SRM)，其发动机壳体内部温度可达2000℃，内部压力可能会超过10.35 MPa ^[1]。在火箭发动机壳体内表面布置绝热层可以保证火箭正常工作。该绝热层需要具备承受火箭燃料燃烧产生的高温和高压的能力。

火灾的发生危及人的生命安全和财产安全，有时发生在如深山或森林等区域，则会破坏电力及通信系统，还会给抢险救灾带来巨大困难，消防员的自身安全也难以保证。2020年3月30日下午，四川凉山州西昌市马道镇突发森林火灾，导致西昌主城区6个片区机房市电中断。对于电力系统，火灾的发生不仅使其无法正常运行，而且如电缆破损，导线外露而短路的情况可能会引起更严重的二次灾害^[2]。如果在电缆外部包覆一层能够保护电路的壳体，就能使火灾对电力系统造成的危害大大减小，人员的伤亡率大大降低。该壳体在常温下需具备足够的弹性，保证电缆正常安装和使用。而在高温下该壳体拥有足够的热稳定性和隔热能力，并具备一定的力学强度。

可陶瓷化高分子复合材料是一种新型的阻燃和热防护材料，在热防护领域获得了广泛的研究和商业化应用。这种材料不仅在常温下具有良好的力学性能，而且在高温环境下，能够转变成具有自支撑性的陶瓷体，具有较高的质量保留率和一定的力学强度^[3]。可陶瓷化高分子复合材料也具有可设计性强的特点，在聚合物基体中添加合适的填料、增强材料或结构控制剂可以获得耐高温性能和所需的力学性能，因此有重要的应用价值。

1.2可陶瓷化硅橡胶复合材料概念与内涵

可陶瓷化高分子复合材料是指在聚合物基体中添加矿物填料、增强材料和其他助剂制备而成的复合材料。常温下这类材料具备高分子的柔性、弹性和易成型等特性，与传统的高分子复合材料无异^[4]。区别在于传统高分子材料在火焰灼烧或高温下会焚化脱落，而可陶瓷化高分子复合材料在高温条件下，矿物填料与热分解的基体发生共晶反应，可以形成多孔自支撑的陶瓷结构。陶瓷化后的烧结体硬度较大，有一定的拉伸强度、弯曲强度和压缩强度。

目前可陶瓷化高分子复合材料大多选择硅橡胶作为基体，也有些研究将三元乙丙橡胶（EPDM）作为基体。两种基体的陶瓷化原理不同，硅橡胶以热解产生的大量SiO₂作为陶瓷材料的基础物质，而EPDM在400~500℃下会形成坚实的网络状残碳，可作为陶瓷材料的骨架^[1,3]。武汉理工大学的刘良点^[3]等对聚酰亚胺纤维（PI）增强EPDM可陶瓷化复合材料进行热分析和断面形貌的研究，得到的结论是PI纤维可以提高EPDM可陶瓷化复合材料的热稳定性，PI纤维热解、炭化后，在EPDM裂解后的炭层中贯穿，形成纤维增强炭层结构。这种纤维增强结构使复合材料在热解过程中能够获得尺寸稳定、形状完整的陶瓷产物^[5]。

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