EPDM絕熱層的熱化學燒蝕機理
固體火箭沖壓發動機工作時補燃室溫度可達到3400℃其燒蝕環境比一般火箭發動機的燒蝕環境更為惡劣，采用性能優異的炭化型絕熱材料是目前各國普遍采用的一種方法。EPDM橡膠因其密度在所有橡膠中是最低的而且熱分解溫度高、熱分解吸熱大、耐熱氧老化性能好，充填系數大，與多種推進劑及殼體複合材料均有良好的相容性，目前在固體火箭沖壓發動機中應用廣泛。目前關于EPDM絕熱層燒蝕機理的資料很少系統介紹其熱化學燒蝕機理的資料尚未見報道。本文主要介紹EPDM絕熱層的燒蝕機理。
一、實驗準備
為了獲得不同顆粒沖刷狀态下炭化燒蝕率的影響規律，實驗針對 EPDM 絕熱材料共開展了15次燒蝕實驗。從實驗結果可以看出，顆粒沖刷條件的絕熱層燒蝕率遠大于無顆粒沖刷條件的。顆粒的沖刷速度、濃度及角度并不是單調影響燒蝕率的大小，而是一種綜合效應。
二、實驗結果分析
通過對實驗結果的分析認為: 當炭化層開始形成疏松的結構時，和原始基體材料相比，疏松炭化層的強度大大減弱; 當顆粒沖刷速度達到臨界值時，機械侵蝕就會以脆性材料的剪切磨損和斷裂磨損的形式出現，極大加劇了炭化層的退移速率，即炭化燒蝕率增大。另外顆粒的這種機械破壞效應主要是以剪切破壞為主，在沖刷角度為 45°時這種效應最強，是以當速度大于臨界值時，角度對燒蝕率的影響不能忽略。
通過對試驗後絕熱材料的宏觀和微觀形貌的分析可以發現，不同顆粒沖刷狀态下的炭化層形貌差異較大，而以往的研究中，往往将炭化層假定為均勻緻密結構，其特性不随時間發生變化，将熱化學燒蝕對炭化層的消耗完全等效到炭化層表面上，将顆粒沖刷效應通過經驗或半經驗式來等價，這樣的處理可以簡化問題，但是卻無法準确描述炭化層的特性，也就無法揭示其燒蝕機理。
三、結論分析
通過對大量實驗資料和絕熱層表面炭化層結構的宏觀及微觀形貌分析，發現實驗後炭化層按照其表面形貌和斷面形貌有規律地分為 3 種形态：強沖刷狀态、顆粒沉積狀态和弱沖刷狀态。結合宏觀實驗影響規律分析可知，這 3 種狀态和顆粒沖刷速度相關聯，當顆粒沖刷速度大于臨界速度時表現為強沖刷狀态，其炭化燒蝕率也較大；而接近臨界速度時為顆粒沉積狀态，其炭化燒蝕率次之；當顆粒沖刷速度小于臨界速度時為弱沖刷狀态，炭化燒蝕率最小。
在顆粒侵蝕過程中，不同顆粒沖刷速度下，顆粒的熱增量和機械破壞效應對于整個燒蝕所占的比重不同，各過程所起的作用及互相耦合呈現不同的特征：
( 1) 非稠密顆粒沖刷條件下，顆粒侵蝕作用較弱，燒蝕主要以材料的熱分解、熱化學反應和氣流剝蝕為主。當基體表面被氣流加熱至一定溫度時，開始發生分解、炭化，形成孔隙結構，同時基體材料内部的熱傳導效應緻使炭化線逐漸向内推移。當内層的熱分解氣體穿過炭化層孔隙時，在特定的溫度條件下會發生沉積，形成緻密結構。對于非稠密顆粒沖刷條件，其熱流密度比較小，緻密層通常在炭化層表面。緻密層防止了熱解氣體的大量溢出，而且阻礙了瓦斯中氧化性組分向材料内部擴散，減緩了燒蝕; 另一方面，緻密層強度高，提高了炭化層抵抗氣流剝蝕的能力。
( 2) 弱顆粒沖刷條件下，燒蝕主要為材料熱分解、熱化學反應、氣流剝蝕和顆粒侵蝕的綜合效應。基體表面在熱分解和熱化學作用下開始形成明顯的孔隙結構，炭化層的緻密結構形成過程和無顆粒沖刷狀态是類似的，由于這種機械侵蝕效應不是很強，炭化層厚度表面附近一定的深度區域内還是形成了緻密結構。但顆粒還是存在侵蝕作用，其緻密層明顯比無顆粒沖刷狀态薄。此過程中，顆粒的機械破壞效應不足以損壞炭化層表面緻密結構，可忽略顆粒的機械效應，隻考慮顆粒熱增量效應。
結論分析：
( 1) 實驗表明存在一個臨界速度，當顆粒沖刷速度低于臨界速度時，顆粒濃度、速度和角度對炭化燒蝕率影響較小; 當沖刷速度高于臨界速度時，炭化燒蝕率随速度的增加而急劇增加，角度影響也較大。
( 2) 不同的顆粒沖刷狀态條件下，炭化層形貌結 構差異較大，内部存在明顯的“緻密/疏松”結構。
( 3) 根據顆粒沖刷參數和炭化層形貌關系，提出了3種典型的燒蝕沖刷狀态，分别為弱沖刷狀态、顆粒沉積狀态及強沖刷狀态。
( 4) 以炭化層孔隙結構為紐帶，剖析了顆粒沖刷條件下熱化學燒蝕和顆粒侵蝕之間的耦合關系，為模型的建立提供了研究思路。
四、結語
EPDM絕熱層抗空氣氧化與抗氣流沖刷能力的強弱直接關系到固體火箭沖壓發動機工作的成敗研究富氧環境下EPDM絕熱層的熱化學燒蝕機理在固體火箭沖壓發動機的研制與設計中均占有重要地位。
