芳纶纤维对EPDM绝热层力学行为的影响

凌　玲，陈德宏，陈　梅，姚卫东

(中国航天科技集团公司四院四十二所，襄阳　441003)



芳纶纤维对EPDM绝热层力学行为的影响

凌玲，陈德宏，陈梅，姚卫东

(中国航天科技集团公司四院四十二所，襄阳441003)

研究了芳纶纤维长度和用量变化对三元乙丙绝热层力学行为的影响。结果表明，随着芳纶短纤维用量增加和长度增大，绝热层的抗拉强度和伸长率均呈下降趋势，初始模量呈上升趋势，而且平行压延方向的变化程度明显大于垂直压延方向。此外，芳纶纤维明显改变了绝热层平行压延方向的拉伸应力-应变曲线形态，而且随着纤维用量增加和长度增大，绝热层的应力屈服点和初始模量逐渐提高，但最大拉伸应力和应变逐渐降低。

绝热层；短纤维；力学性能

0　引言

固体火箭发动机内绝热层的主要功能是通过自身的不断消融和分解带走大部分热量，以缓减高温、高速燃气对发动机壳体的破坏作用。因此，绝热层的耐烧蚀性能是其应用最为关键的技术指标。大量研究结果表明，在橡胶绝热层中添加短纤维是提高其耐烧蚀性能的常用技术途径之一[1-5]。这是因为纤维在高温下仍可保持其骨架，从而能够固定住基材烧蚀形成的炭层，使结炭层附着力得到明显改善，表现为绝热层烧蚀性能大幅提高。但短纤维填充在橡胶中势必会改变绝热层的其他性能，特别是拉伸力学行为 (呈现明显的各向异性) ，这主要是因为纤维在混炼和出片过程中，会在辊筒的剪切力作用下，沿压延方向发生取向。研究结果表明，绝热层力学性能的影响程度不仅与短纤维的性能及相对含量有关，还取决于短纤维的形状、直径以及纤维与橡胶基材的粘结强度等因素。本文研究了芳纶短纤维的长度和用量对三元乙丙绝热层(EPDM)拉伸力学行为的影响。

1　实验

1.1仪器

SK-160B型双辊筒炼胶机；Y33-50型四柱油压机；INSTRON 4502 型材料试验机。

1.2原材料

三元乙丙橡胶 (EPDM)：第三单体为乙叉降冰片烯(ENB)，乙烯含量53%～59%，碘值为每百克ENB中有19～25 g，进口；过氧化二异丙苯：工业级，国营太仓塑料助剂厂；气相白炭黑：A380，pH值3.5～5.5，沈阳化工股份有限公司；芳纶短纤维：长度分别为1、2、3、4、6 mm，美国杜邦；其他补强填料和阻燃填料若干。

1.3实验方法

固定EPDM绝热层配方中除短纤维以外的其他组分用量，仅改变短纤维的长度(1～6 mm)和使用份数(3～15 phr)，采用同样的设备和工艺方法进行混炼、硫化和力学性能测试。

2　结果与讨论

2.1芳纶短纤维长度和用量对绝热层力学性能影响

2.1.1抗拉强度

芳纶短纤维长度(1～6 mm)和用量(3～15 phr)对绝热层平行于压延方向和垂直于压延方向抗拉强度的影响见图1。

(a)平行压延方向

(b)垂直压延方向

图1结果表明，添加短纤维的绝热层在平行压延方向的抗拉强度略高于垂直压延方向，随着纤维用量的增加，添加不同长度短纤维的绝热层在平行压延方向和垂直压延方向的抗拉强度均呈下降趋势。随着纤维长度增加，绝热层平行压延方向的抗拉强度呈下降趋势，垂直压延方向的抗拉强度变化不如平行方向明显。

2.1.2伸长率

芳纶纤维长度和用量对绝热层平行压延方向和垂直压延方向伸长率的影响见图2。可见，随着纤维用量增加，添加短纤维的绝热层在平行压延方向和垂直压延方向的伸长率均呈下降趋势，平行压延方向的伸长率下降幅度要比垂直压延方向伸长率的下降幅度大，而且纤维越长，下降幅度越大。

2.1.3初始模量

芳纶短纤维长度和用量对绝热层平行压延方向和垂直压延方向初始模量的影响见图3。

(a)平行压延方向

(B)垂直压延方向

(a)平行压延方向

(b)垂直压延方向

图3结果表明，添加短纤维的绝热层在平行压延方向的初始模量要高于垂直压延方向，随着纤维用量增加，添加不同长度短纤维的绝热层在平行压延方向和垂直压延方向的初始模量均呈上升趋势，且随着纤维长度增加，绝热层平行压延方向的初始模量增加幅度要比垂直压延方向初始模量增加幅度大。

2.2芳纶短纤维长度和用量对绝热层拉伸曲线影响

2.2.1添加1 mm纤维的绝热层拉伸曲线

添加1 mm芳纶纤维的绝热层在平行压延方向和垂直压延方向的应力-应变曲线形态见图4。

(a)平行压延方向

(b)垂直压延方向

2.2.2添加6 mm纤维的绝热层拉伸曲线

添加6 mm芳纶纤维的绝热层在平行压延方向和垂直压延方向的应力-应变曲线形态见图5。

图4、图5结果表明，绝热层中添加芳纶短纤维时，垂直压延方向的拉伸应力-应变曲线形状变化不明显，初始模量随纤维用量增加而略有增加，最大拉伸应力和应变随纤维用量增加而降低；加入纤维后，绝热层平行压延方向的拉伸曲线形状有明显变化，且随着纤维用量增加，曲线的应力屈服现象愈加明显，应力屈服点和初始模量也逐渐提高，但最大拉伸应力和应变逐渐降低。图4、图5结果还表明，当纤维的用量达到6 phr时，2个方向上的拉伸曲线形状差别已相当明显。此外，纤维长度从1 mm增加到6 mm时, 拉伸曲线的变化规律相同，但变化的程度随纤维长度增加而增大。

(a)平行压延方向

(b)垂直压延方向

2.3短纤维填充机理分析

在短纤维填充橡胶材料中，载荷不直接加在纤维上，而是加在橡胶基体上，又通过纤维末端以及纤维/基体界面传到纤维上。由于纤维的强度和模量通常比橡胶基材大得多，并且纤维与基体间存在一定的粘结力，因此基体的变形受到纤维的约束，并在界面处产生沿纤维轴向的剪切应力。于是，外载荷从基体传到纤维上来，并由基体和纤维共同承担。所以，高模量纤维的引入，可提高材料的弹性模量和强度。显然，纤维所受的应力是通过界面传递的，这种应力的传递能力与界面的结合强度(主要包括界面粘结强度和界面摩擦力2部分)成正比。而影响纤维与基体界面结合强度的因素主要有纤维的直径、长度、形状、纤维间的距离、纤维的性能及基体的性能等。

在短纤维填充复合材料中，常用的理论是Rosen的剪切滞后分析, 可认为应力沿纤维长度的分布是以这样一个简单方式进行的，即如图6所示的纤维微元的平衡[6-7]。

通过积分获得离纤维末端距离为z处横截面上的纤维应力为

(1)

式中σf是纤维轴向应力；σf0是纤维末端的应力；r是纤维半径；τ是纤维-基体间圆柱形界面上的剪切应力。

根据KellyA提出的圆柱形力学模型，假设包围纤维的橡胶基体材料是一种理想材料。在这种情况下，界面剪切应力τ沿纤维的长度为常数，并等于基体的屈服剪切应力τy。则式(1)可积分得

(2)

图6　短纤维单向增强橡胶的微单元体(平行方向)

试验中使用的纤维半径相同，长度范围为1～6 mm，根据式(2)，在添加相同份数的情况下，纤维越短，纤维末端可承受的应力就越大。但另一方面，纤维越短，式(2)中z值越小，纤维-基体界面处产生的沿纤维轴向的剪切应力也越小。即纤维长度对界面剪切应力和对纤维末端应力的影响规律是相反的。由于选用的纤维直径为微米级，因此式(2)中纤维末端应力σf0远小于纤维-基体界面的剪切应力2τyz/r。此外，由于与纤维末端连接的基体的屈服，或者因为巨大的应力集中的结果，使纤维末端与基体容易发生分离，这样平行于纤维轴向进行拉伸时，纤维长度对界面轴向剪切应力影响程度要远大于对纤维末端应力的影响。

纤维在炼胶机辊筒的剪切力作用下，会沿压延方向发生取向。因此，平行于压延方向拉伸也就是平行于纤维轴向进行拉伸。试验结果表明，平行于压延方向拉伸时，随着纤维用量的增加，绝热层的应力-应变曲线形状发生了明显变化(如图4(a)和图5(a)所示)，模量和屈服强度明显提高，而断裂伸长率降幅较大。这是由于在屈服点前，试样被均匀拉伸，应力通过纤维-基体界面传递至短纤维，短纤维约束了基体的形变，从而提高了绝热层的模量，使材料的屈服在更大的应力下才能发生。因此，纤维用量越大，基体的束缚点越多，绝热层的模量和屈服强度就越高；屈服点以后，材料的形变主要是基体高分子链的伸展，同样由于短纤维对基体形变的约束，或者是纤维-基体脱开形成缺陷，而降低了材料的断裂伸长率。

试验得到短纤维长度和用量对绝热层平行及垂直压延方向拉伸屈服强度的影响见图7。

(a)平行压延方向

(b)垂直压延方向

图7(a)结果表明，在平行于纤维轴向进行拉伸时，短纤维添加量越多，材料的屈服强度越高。当纤维长度从1 mm增加到4 mm时，材料屈服强度几乎呈线性提高，而纤维长度达到6 mm且用量小于9 phr时，材料的屈服强度出现较明显下降。这是由于在开放式炼胶混合过程中，在机械剪切力作用下，较长的纤维更容易发生断裂，形成较短的纤维，这样就部分削弱了纤维长度对界面轴向剪切应力的贡献，而转化成了更多的纤维末端应力。此外，试验中选用的纤维的直径仅为12 μm。因此，纤维长度断裂对界面轴向剪切应力的减少量要大于对纤维末端应力的增加量，宏观表现为材料屈服强度(或纤维轴向应力)的下降。试验中，材料屈服强度下降的现象仅出现在6 mm纤维用量小于9 phr的配方中。这是因为纤维用量较少时，也更容易分散于基体中，并在机械剪切力作用下发生断裂，如果进一步延长混炼胶的混炼时间，那么纤维用量大于9 phr的混炼胶中的纤维也将会陆续产生断裂，并出现材料屈服强度下降的现象。

其实，混炼过程中纤维发生断裂的情况在1～4 mm纤维长度的配方中也会出现，只是断裂的程度较轻微。因此，材料屈服强度的变化不如6 mm纤维配方那么明显。

垂直于绝热层压延方向拉伸，也就是垂直于纤维轴向进行拉伸。图7(b)结果表明，垂直于纤维轴向进行拉伸时，材料的屈服强度值为(1±0.5) MPa，比平行方向低很多，且随纤维长度增加变化较小。这是因为在垂直拉伸情况下, 纤维的圆柱形面承受着拉应力, 纤维末端则承担着界面剪切应力(见图8)。那么在式(2)中，σf0成为了纤维圆柱形面(纤维直径和纤维长度)的函数，τyz成为了纤维末端面积的函数。如前所述，式(2)中纤维末端应力σf0远小于纤维-基体界面的剪切应力2τyz/r，且纤维末端面积增加对τyz的增量也非常有限，这就意味着短纤维在垂直方向上对基体的增强效果很小。因此，在试验结果中，绝热层在垂直压延方向的拉伸应力-应变曲线形状变化不明显(如图3(b)和图4(b)所示) ，且随着纤维长度和用量的增加，模量和屈服强度的增幅也很小。

图8　短纤维单向增强橡胶的微单元体(垂直压延方向)

3　结论

(1)随着芳纶短纤维用量增加，绝热层在平行压延方向和垂直压延方向的抗拉强度均呈下降趋势。随着纤维长度增加，平行方向的抗拉强度比垂直方向下降明显。

(2)随着芳纶短纤维用量增加，绝热层在平行压延方向和垂直压延方向的伸长率均呈下降趋势，纤维越长，下降幅度越大。

(3)随着芳纶短纤维用量增加，绝热层在平行压延方向和垂直压延方向的初始模量均呈上升趋势，纤维长度增加，平行方向的初始模量比垂直方向增幅明显。

(4)添加芳纶短纤维的绝热层平行压延方向的拉伸应力-应变曲线形状有明显变化，随着纤维用量增加，应力屈服点和初始模量逐渐提高，但最大拉伸应力和应变逐渐降低；垂直压延方向的拉伸应力-应变曲线形状变化不明显，但初始模量随纤维用量增加而略有增加，最大拉伸应力和应变随纤维用量增加而降低。

[1]宋月贤,郑元锁,袁安国,等.芳纶短纤维增强橡胶耐烧蚀柔性绝热层材料的研究进展[J].橡胶工业,2001,48(11): 697-699.

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[3]宋崇健,张炜,莫纪安,等.填充短纤维对NBR基绝热材料性能的影响[J].固体火箭技术,2004,27(1): 73-75.

[4]朱国胜.芳纶短纤维增强EPDM弹性体烧蚀材料及其力学性能的研究[D].西安交通大学,1999.

[5]舒慧明,陈国辉,张晓宏,等.纤维对三元乙丙绝热层耐烧蚀性能的影响[C]//中国宇航学会2010年固体火箭推进第27届年会论文集,2010: 273-276.

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[7]郑元锁.芳纶短纤维增强橡胶基复合材料及增强机理研究[D].西安交通大学,1999.

(编辑：崔贤彬)

Effects of aramid fiber on mechanical behavior of EPDM insulation

LING Ling，CHEN De-hong，CHEN Mei，YAO Wei-dong

(The 42nd Institute of the Fourth Academy of CASC, Xiangyang441003, China)

The effect of aramid fiber length and amount on mechanical behavior of EPDM insulation were studied. With the increasing of amount and length of the short fiber,the tensile strength and elongation of the vulcannized insulation were reduced,and the initial modulus increased.The degree of change parallel to the rolling direction was significantly greater than that perpendicular to the rolling direction.In addition,aramid fiber significantly changed the stress-strain curve of the insulation in parallel to the rolling direction.And with the increasing of amount and length of the short fiber,the stress yield point and initial modulus of the vulcannized insulation is increased gradually,whereas maximum stress and maximum strain decreases.

insulation；short fiber；mechanical behavior

2015-05-12；

2015-08-26。

凌玲(1971—)，女，研究员，研究方向为固体火箭发动机绝热层配方与工艺。E-mail： lling@21cn.com

V255

A

1006-2793(2016)04-0555-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.04.019