如何提升塑料耐烧蚀性？

耐烧蚀塑料是具有能利用高温燃烧热量发生热解、汽化、炭化等反应，从而消耗燃烧热，提高耐烧蚀性，且可形成保护层、阻止热量渗入和透过塑料层的一种特殊功能的塑料。以耐烧蚀酚醛塑料为例，当遇到高温燃烧时，它会发生热解反应、汽化及炭化，从而吸收燃烧热。同时，在燃烧表面边燃烧边形成环状结构，生成耐烧蚀性能优异的中间产物，即含碳率很高的炭化层。它是一层组织致密、坚硬且与内层料牢固结合的保护层，从而可起到优良的隔热作用，有效地防止燃烧热侵入保护层。

目前，耐烧蚀材料广泛地应用于导弹、航空、航天和火箭等工业中，其耐烧蚀温度可达3000℃，且可配制成模压料、涂料和卷制料供制作各种耐烧蚀、隔热层及结构零件。因此，这种塑料还需具有力学性能好、耐腐蚀、耐油、耐燃气冲刷、层间结合强度高等优点，应属于耐烧蚀高性能塑料。

具有耐烧蚀性能的树脂品种不少，但目前实用的品种不多，这里仅介绍一些常见的品种。

1.酚醛树脂系列

酚醛树脂耐热性好，燃烧时碳产率高，价格便宜，工艺性好，所以常将其改性后组成耐热、隔热塑料。其改性的品种可分三大类：第一类共聚改性料，主要是指引入氰基、硼元素、芳环有机硅、三聚氰胺、苯胺、苯基、苄基等单体后组成的共聚物，如氰基酚醛、聚酚醚树脂、酚三嗪树脂掺有机硅改性树脂和胺类改性树脂等；第二类是重金属、杂元素及提高酚醛树脂纯度等改性酚醛，如钡酚醛、钼酚醛、钨酚醛、硼酚醛、磷酚醛、高纯氨酚醛和开环聚合酚醛等；第三类是碳改性系列，是利用上述酚醛树脂再用碳，石墨或碳纤维改性后组成的高碳/酚醛塑料。这类塑料是目前耐烧蚀塑料的主要品种，不同树脂配制的品种性能不一，现举例介绍如下：

（1）碳纤维增强镁酚醛塑料 CF含量为60%（体积分数），收缩率为-0.13%，密度为1.47g/cm³，拉伸强度为89.8MPa，弯曲强度为164MPa，冲击强度为25.4kJ/m²，烧蚀率为0.11mm/s（用于发动机时实测值）。在1000℃不活泼气体中能炭化成碳/碳复合材料，具有耐热气流冲刷性。其碳纤维形式有短切纤维及织物（布）等品种，可供模压、绕缠、手糊成型，用作火箭喷管和喷嘴部件、头锥、防热层、机翼前缘和火箭耐热片等。

（2）粘胶碳纤维（布） 增强酚醛耐烧蚀塑料主要原料是碳布和树脂。碳布要求碳质量分数≥90%，密度为1.65g/cm³，宽为800mm，厚度为0.1～0.11mm，软质，无孔洞，无氧化；酚醛树脂可用普通型、低压钡酚醛、硼酚醛或酚醛/环氧等。原料可制成碎粒、粘团、布带供模压、压铸、绕缠、手糊成型，主要用作固体火箭发动机长尾管内壁隔热层和喷管收敛段隔热层。它具有优异的耐烧蚀、隔热、耐热气流冲刷性，燃气温度为3000～3800K，压力为20MPa，燃气密度为560g/（cm²·s），冲刷速度为123m/s（入口）、539m/s（出口）。几种耐烧蚀材料氧乙炔焰线烧蚀率及其他性能的比较见表16-72。

表16-72 几种耐烧蚀材料氧乙炔焰线烧蚀率及其他性能的比较

（3）高硅氧（石类）纤维增强酚醛塑料 其性能指标见第12章，主要用作火箭头锥体喷嘴及排气口、飞机尾翼和支柱、电气材料中耐高压层压极、雷达罩、防热罩、隔热板和耐烧蚀材料。

（4）华东理工大学高成碳酚醛 用616酚醛树脂引入苯基、苄基或芳烧基组成的改性PF，具有碳产率高、炭化层强度和高温力学性能好等优点，其烧蚀性优于钡酚醛及氨酚醛，且工艺性好。

（5）有机硅改性钡酚醛耐烧蚀塑料 用GS-401有机硅与钡酚醛按1∶1的比例（质量比），采用接枝共聚工艺而制成的共聚物。它兼有了两者的优点，具有成碳率高，碳化层强度高、隔热性好，作为涂料对基材粘着力强、冲击强度高、耐烧蚀性好等特性，可用作火箭发动机烧蚀材料和隔热材料。

2.环氧树脂烧蚀塑料

用环氧E-51与味唑固化剂、阻燃剂等配制的EP耐烧蚀涂料，其线烧率和质量烧蚀率两项指标优异，线烧蚀率在0.023～0.16mm/s，质量烧蚀率为0.098～0.162g/s，可用于飞行器外壳表面作气动加热防护，涂于发动机燃烧室内层作推动剂燃气流热防护，可根据不同防护部位配制不同性能的耐烧蚀涂层。

3.聚芳基乙炔

聚芳基乙炔，简称PAA是一种仅含C元素和H元素的高度交联的芳族亚苯基聚合物，由二乙炔基苯和苯乙炔共聚合而成，其主要特点如下：(www.xing528.com)

含可发挥物低（<10%）；碳产率高（>90%）；聚合时无低分子副产物逸出；吸水率低（0.1%～0.2%），T_g极高，热解温度峰值为800℃；分解时只释放H₂。用T-300碳纤维增强后（PAA质量分数为29%），室温下层间拉伸强度为5.3MPa，（CFPF层间拉伸强度为4.2MPa），400℃时层间拉伸强度为1.4MPa（CFPF260℃时层间拉伸强度为0.3MPa）。其热收缩率小，工艺性好，耐烧蚀性及烧蚀重现性极优异，可与碳纤维配制增强塑料，有望取代高碳/PF耐烧蚀材料。

4.碳/碳增强塑料

用碳纤维与聚碳化二亚胺（PCD）组成的耐烧蚀塑料称为碳/碳增强塑料。PCD树脂是一种耐热性优异、强度高的热固性塑料，可制成薄膜、涂料和粒料，供压塑、传递、注射成型，工艺性好。用PCD与碳纤维组成的增强塑料，在惰性气体或真空中经热降解炭化后即可制成碳/碳增强塑料，用作航天烧蚀材料，现已日趋普及。

5.纳米改性烧蚀塑料

用纳米粒子加入聚合物可配制许多性能优良的改性塑料。在配制耐烧蚀塑料也应用了该技术，它对提高抗烧蚀性及综合性能有明显的效果。这里以纳米改性高碳/酚醛塑料为例，简介如下：

（1）原料配方 碳布、PAN基1k；树脂用高碳酚醛SH-1；纳米碳粉，粒径为20～30nm，碳质量分数为98.6%，比表面积为110～130m²/g，碳粉含量为25%～30%（质量分数）。

（2）性能 纳米碳粉改性的碳/酚醛塑料其耐烧蚀性及综合性能均优于高纯氨酚醛、低钡酚醛及C/PAA，主要表现在以下几方面：

1）抗氧化性优良，热解温度为448℃，峰值热解温度为631℃，500℃时残碳率为87%，完全氧化温度为700℃，热解速度慢，成碳率高（900℃时为40%），热结构强度高，可在一、二级发动机喷管扩张段中低空有氧条件下工作，且抗氧化性优良。

2）在高温及烧蚀条件下，力学性能及层间剪切强度高，特别是在900℃层间剪切强度达到C/PAA常温下的力学性能。其他不含纳米碳的品种在此高温时的力学性能均会大幅度下降。纳米碳改性碳/PF塑料的室温力学性能见表16-73。

表16-73 纳米碳改性碳/PF塑料的室温力学性能

3）热膨胀特性与C/PAA相似，降低了酚醛树脂热解时的收缩率，热稳定性好，有利于解决材料热变形、内应力和粘结性能等问题。

4）比热容增大，热导率高，材料储热能力增强，热扩散系数增大，但仍小于C/PAA。

5）耐烧蚀性好。线烧蚀率低，0°方向为0.13～0.14mm/s，90°方向为0.09～0.17mm/s；质量烧蚀率低，0°方向为0.11～0.12g/s，90°方向为0.11～0.13g/s。而且无层间分层现象，如含碳粉为26.4%（质量分数）时，线烧蚀率为0.014mm/s、质量烧蚀率为0.04g/s时，纬向剪加强度达34.5MPa，经向剪切强度为29.3MPa。、

由此可见，按不同材料、不同性能要求，选择适当的粒径、比表面积及配比的纳米碳粉，可配制成耐烧蚀性及综合力学性能优良的烧蚀材料。