高能量密度燃料与橡胶材料相容性研究

陈妮妮 张永久 史成香 邹吉军

高能量密度燃料与橡胶材料相容性研究

陈妮妮1张永久1史成香2邹吉军2

（1中国人民解放军96901部队 北京，100094；2天津大学化工学院，先进燃料与化学推进剂教育部重点试验室，天津，300072）

高能量密度燃料可以在不增加燃料箱体积的情况下显著增加飞行器的航程与载荷，因而越来越多的国家致力于新型高能量密度燃料的研究。其中，新型燃料与飞行器材料（特别是橡胶材料）的相容性研究对于确保飞行安全具有重要意义。本文主要研究了丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、硅橡胶和氟硅橡胶与高密度燃料JP-10、HD、HD+JP的相容性。通过模拟燃料与橡胶材料在通常状态下的接触环境，在高温下进行浸泡试验，加速反应进程，对浸泡后的橡胶材料的溶胀和力学性能进行了定量的测定。研究结果表明，新型燃料HD对橡胶的性能影响最小；丁腈橡胶与这三种高密度燃料的相容性最好，氟硅橡胶则相对最稳定，可作为新型高密度燃料系统的备选橡胶材料。

橡胶材料；高密度燃料；耐油；相容性

引言

高能量密度燃料是液体推进剂的重要组成部分，在国防技术具有重要的应用价值，越来越多国家致力于研究新型的高密度液体燃料以增加飞行器的射程与航速[1-3]。近年来，天津大学研制了新型高能量密度燃料，能量接近43.5M J/L，比航煤（RP-3）和美国JP-10燃料分别高约24.3%和9.8%[4-12]，具有重要的应用前景。飞行器设备的材料主要包括金属和非金属两大类，燃油系统中接触的非金属材料主要为橡胶材料，包括丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、硅橡胶和氟硅橡胶等[13]。燃料与橡胶材料在长时间接触的情况下，会渗透进入橡胶中，诱发材料的物理化学性质、机械性质发生变化，失去功能。因此，燃料与橡胶材料的相容性至关重要，决定了油箱、油路、阀门密封等系统的材料选择[14]。

为了模拟燃料与橡胶长时间接触的状态，可以通过升温加速试验的方法考察燃料在常温长时间贮存条件下与各种材料的相容性，预测燃料长时间与材料共存时的相互影响，给出与燃料相容性好的材料选型[15,16]。本文主要研究了常用橡胶材料与新型高密度燃料的相容性。通过模拟燃料与橡胶材料在通常状态下的接触环境，在高温下进行浸泡试验，加速反应进程，对浸泡后的橡胶材料的溶胀和力学性能进行了定量的测定。将新型燃料与JP-10对不同种类橡胶材料的相容性做出评价。

1 试验部分

1.1 试验设备

试验所用设备及其信息见表1

表1 试验设备

1.2 试验原料

试验涉及到以下三种燃料：JP-10、新型高密度燃料（HD）、新型高密度与JP-10按照6:4比例复配的燃料（HD+JP），均为课题组自制。

试验所使用的橡胶样品主要是以下四种胶料，具体牌号及来源见表2所示。

表2 研究用橡胶牌号及来源

1.3 试验方法

（1）橡胶试样制备：厚度为3±0.3 mm，按GB/T 528-2009[17]《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能》的测定制备成哑铃状试样，尺寸大小与标准C型试样一致。

（2）试验程序：根据GB/T 1690-92[18]《硫化橡胶耐液体试验方法》进行浸泡试验，将四种橡胶标准试样分别浸泡在三种燃料（JP-10、HD、HD+JP）中，按照下述两种不同试验温度和时间取出测试。试验温度：110℃，试验时间：5天、10天、15天、20天、25天。

（3）按照GB/T 1690-92测试如下项目：质量变化（抽出物）、体积变化、伸长率变化（尺寸变化）、硬度变化、拉伸强度变化、拉断伸长率变化、定伸应力变化、组成变化。每个试验采取三组平行试样，测试结果取平均值。

（4）燃料分析方法：用气相色谱分析燃料相容性试验前后组分含量变化情况，用红外光谱仪分析燃料相容性试验前后组分性质变化情况。

2 结果与讨论

2.1 高密度燃料对橡胶材料的影响

（1）丁腈橡胶

丁腈橡胶在JP-10、HD、HD+JP中浸泡前后的各物理性能测试数据见表3，其变化规律和变化率见图1。

表3 丁腈橡胶试验前后物理性能变化

丁腈橡胶的拉伸强度和拉断伸长率在JP-10浸泡后减小，而在HD浸泡后增大，HD+JP浸泡后则基本保持不变；硬度、质量和体积变化三者差别不大，且变化小于15%，随浸泡时间延长变化不明显；定伸应力变化也基本相同，随时间波动无规律。表明三种燃料对丁腈橡胶影响基本相同，且具有较好的相容性。

（2）氢化丁腈橡胶

丁腈橡胶在JP-10、HD、HD+JP中浸泡前后的各物理性能测试数据见表4，其变化规律和变化率见图2。

表4 氢化丁腈橡胶试验前后物理性能变化

经三种燃料浸泡后物理性能变化对比可以看出，氢化丁腈橡胶的拉伸强度、拉断伸长率和邵氏硬度在三种燃料浸泡后有不同程度的减小，且随浸泡时间延长变化趋势相同：在三种燃料中浸泡后的减小程度比较接近，HD中浸泡后的减小程度低于JP-10和HD+JP，说明HD与对氢化丁腈橡胶的影响略小于JP-10和HD+JP。氢化丁腈橡胶的质量和体积在浸泡后有不同程度的增加，且呈现出相同的变化规律：在三种燃料中浸泡后的减小程度比较接近，而且在HD中浸泡后的减小程度低于JP-10和HD+JP，说明HD与对氢化丁腈橡胶的影响略小于JP-10和HD+JP。

（3）硅橡胶

硅橡胶在JP-10、HD、HD+JP中浸泡前后的各物理性能测试数据见表5，其变化规律和变化率见图3。

表5 硅橡胶试验前后物理性能变化

硅橡胶经三种燃料浸泡后物理性能变化对比可以看出，硅橡胶的拉伸强度、拉断伸长率和邵氏硬度在三种燃料浸泡后有不同程度的减小，且随浸泡时间延长变化不大：在HD浸泡后减小明显小于JP-10和HD+JP,说明HD浸泡影响小于JP-10和HD+JP。硅橡胶的质量和体积在浸泡后有不同程度的增加，且呈现出相同的变化规律：在三种燃料中浸泡后的减小程度比较接近，而且在HD中浸泡后的减小程度低于JP-10和HD+JP，说明HD与对氢化丁腈橡胶的影响小于JP-10和HD+JP。

（4）氟硅橡胶

氟硅橡胶在JP-10、HD、HD+JP中浸泡前后的数据见表6，其变化规律和变化率见图4。

表6 氟硅橡胶试验前后物理性能变化

氟硅橡胶经三种燃料浸泡后物理性能变化对比可以看出，氟硅橡胶的拉伸强度、拉断伸长率、邵氏硬度和定伸应力在浸泡后有不同程度的减小，质量、体积在浸泡后有不同程度的增加，但是在两种燃料中浸泡后的减小程度比较接近，说明三种燃料与对氟硅橡胶的影响基本相同。

2.1 橡胶材料对高密度燃料的影响

JP-10、HD、HD+JP三种燃料浸泡四种橡胶30天后，燃料组分的气相色谱图见图5。

图5 试验后燃料色谱图

从气相色谱图中可以看出，三种高密度燃料浸泡丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶后在23 min左右都出现杂质峰，浸泡硅橡胶后再17 min和23min左右出现杂质峰，JP-10和HD浸泡氟硅橡胶后未出现明显的杂质峰，而HD+JP浸泡氟硅橡胶后则在23 min左右出现杂质峰，经质谱分析杂质峰大多属于含C=O的酸和酯类大分子，是橡胶中的组分溶解到了燃油中。

四种橡胶经燃料浸泡前后表面漫反射红外谱图见图6。

图6 橡胶表面试验前后红外谱图

从红外谱图可以看出，四种橡胶在1720 cm-1左右为C=O吸收峰未浸泡之前都比较明显，浸泡后该吸收峰明显减弱甚至消失，表明橡胶表面大部分含C=O键的大分子都溶解析出到燃料中，和气质色谱分析结果相吻合。

3 结论

考察对比了丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、硅橡胶和氟硅橡胶与高密度燃料JP-10、HD、HD+JP的相容性。经对比分析三种燃料对各种橡胶拉伸强度、拉断伸长率、邵氏硬度、100%定伸应力、质量和体积等物理性能随温度和时间的变化规律，结合浸泡前后三种燃料的色谱组成和四种橡胶表面红外谱图分析，总结如下：（1）所有橡胶相容性中，JP-10浸泡后的橡胶大部分性能变化最大，HD变化最小，HD+JP是HD优化型燃料，其对橡胶性能的影响介于二者之间；（2）四种橡胶在相同燃料的浸泡下，丁腈橡胶各性能变化最小，表明丁腈橡胶与这三种高密度燃料的相容性最好；（3）相同时间温度下，氢化丁腈橡胶和氟硅橡胶各性能变化较小，但氢化丁腈橡胶受浸泡时间影响波动很大，而氟硅橡胶则相对最稳定，具有较好的结构稳定性；（4）硅橡胶经燃料浸泡后各性能变化最大，稳定性差，相容效果差；（5）三种燃料在30天浸泡四种橡胶后，橡胶表面的含C=O双键的大分子大部分会溶解至燃料中。综上所述，新型燃料HD对橡胶的性能影响最小；丁腈橡胶与这三种高密度燃料的相容性最好，氟硅橡胶则相对最稳定，可作为新型高密度燃料系统的备选橡胶材料。

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陈妮妮，博士，研究领域为燃烧与传热、动力推进技术。E-mail：lilylikesmile@126.com