先進航天高分子材料

1引言新材料是航天技術發(fā)展的重要物資基礎，一代新型航天產品的誕生往往建立在一大批先進新型材料研制成功的基礎上，同時也可以帶動許多新材料項目的快速啟動和應用。新中國成立以來，以兩彈一星為代表的航天產品的研制促進了我國許多關鍵新材料項目的啟動和開展。改革開放以來，隨著我國國民經濟的迅速發(fā)展和經濟實力的增強，載人航天、探月工程等重點工程的開展需要眾多新材料的支撐，也帶動了我國許多關鍵新材料研制取得突破。高分子材料是我國航天工業(yè)賴以支撐的重要配套材料，主要包括橡膠、工程塑料、膠黏劑及密封劑等，本文概要介紹了先進高分子材料在我國航天產品上的應用現(xiàn)狀。2羧基亞硝基氟橡膠羧基亞硝基氟橡膠（CNR）是從20世紀50年代發(fā)展起來的一種氟彈性體，由于其獨特的耐強氧化劑和耐低溫性能，引起了國內外宇航工業(yè)界的廣泛關注，美國、英國和前蘇聯(lián)多家公司和大學都開展過相關研究。1963年，美國3M公司合成了具有羧基側鏈的亞硝基三元共聚物翌年，隨后又發(fā)現(xiàn)γ－亞硝基全氟丁酸為硫化點單體的羧基亞硝基氟橡膠，隨后羧基亞硝基氟橡膠開始在運載火箭和阿波羅飛船的N2O4貯箱、輸送系統(tǒng)、飛行器內壁及高壓氧箱上得到應。羧基亞硝基氟橡膠，包括2類：①二元類——四氟乙烯與三氟亞硝基甲烷共聚彈性體②三元類——引進第三單體亞硝基全氟丁酸羧基亞硝基氟橡膠分子主鏈一半為—C—C—鍵，另一半為—N—O—鍵，且與碳原子相連的皆為氟原子，因此具有很好的化學穩(wěn)定性；主鏈大量的氮氧鏈節(jié)賦予橡膠優(yōu)異的耐低溫性能，玻璃化轉變溫度為－45℃；CNR氟含量高，又不含C—H鍵，高溫裂解時放出的氣體能熄滅火焰，因此即使在純氧中也不會燃燒；由于CNR主鏈中N—O鍵的鍵能較低，易高溫裂解，其耐熱性不如一般氟橡膠，長期使用最高溫度為180～200℃。CNR主要用于低溫環(huán)境下各種有機和無機溶劑特別是強氧化劑系統(tǒng)的密封，還可作為固體推進劑燃料的粘合劑及耐化學介質的不燃涂層等。作為火箭發(fā)動機的推進劑，N2O4由于其貯存穩(wěn)定性好、綜合性能優(yōu)良獲得了廣泛應用，目前仍然應用于我國的運載火箭和衛(wèi)星等。由于N2O4具有強烈的氧化性，迄今為止國內外研制成功與其相容的橡膠密封材料只有羧基亞硝基氟橡和氟醚橡膠。近年來，為了滿足我國運載火箭新的需求，研制了新型羧基亞硝基氟橡膠及其膠料7113，其硫化膠性能見下表。圖1新型羧基亞硝基氟橡膠硫化膠在液態(tài)N2O4介質中力學性能及質量變化試驗結果表明，研制的新型羧基亞硝基氟橡膠硫化膠具有良好的物理機械性能、耐N2O4介質性能和耐高低溫性能。其密封件通過了-40℃、常溫、50℃和250℃的密封模擬實驗、N2O4介質浸泡6個月密封模擬試驗和加速老化試驗等一系列考核驗證，可作為耐N2O4介質的密封材料使用。3硅橡膠硅橡膠：硅橡膠是指主鏈以Si-O單元為主，以甲基及少量乙烯基等有機基團為側基的一類線性聚合物，兼具無機材料和有機材料的性能。根據(jù)硅原子上所連接的側基不同，可分為二甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠、甲基苯基乙烯基硅橡膠、乙基硅橡膠及亞苯基硅橡膠等。航天材料及工藝研究所研制的硅橡膠密封材料具有突出的耐熱和耐寒性能，長期使用溫度為-60℃～250℃，短期使用可以超過300℃，可以耐瞬間超過3000K的高溫燒蝕，耐臭氧、耐日照、耐霉菌、耐海水等性能優(yōu)異。按照密封介質和密封材料的基本性能，航天工業(yè)用硅橡膠密封材料可分為4類，如下表所示。航天工業(yè)用硅橡膠密封材料主要牌號及用途4聚苯硫醚（PPS）PPS是20世紀60年代末美國首先開發(fā)出來的一種綜合性能良好的耐高溫熱塑性工程塑料，其產需量位居尼龍(PA)、聚碳酸酯(PC)等五大通用工程塑料之后，故有第六大工程塑料之稱。PPS具有許多優(yōu)良的乃至獨特的性能：

①突出的耐熱性，熱變形溫度高達260℃，可在200~240℃長期連續(xù)使用；

②優(yōu)異的耐化學腐蝕性，在200℃以下幾乎不溶于所有溶劑、幾乎不受一般酸堿腐蝕；③固有的阻燃性，即便不添加阻燃劑也呈現(xiàn)相當于UL94V-0級的高阻燃性；④優(yōu)良的力學性能，在高溫下也很少下降，且耐疲勞、抗蠕變性能極佳；⑤出色的尺寸穩(wěn)定性，即使在高溫、高濕環(huán)境下，尺寸也幾乎不變；⑥優(yōu)良的電性能，在高溫、高濕和高頻條件下也變化不大；⑦良好的成型加工性能，流動性好，易于注塑薄壁和精密的部件，還可擠出、吹塑成型及紡絲成纖維。在我國，航天材料及工藝研究所使用短切碳纖維增強PPS制造的慣性導航系統(tǒng)殼體代替了原鋁合金殼體，減重效果明顯，同時提高了減振性能，且剛性仍能夠滿足使用要求；使用納米磁粉改性PPS制作了具有抗輻射、電磁屏蔽、吸波、隱身、抗靜電等特種功能的結構件。目前，我國已經實現(xiàn)了PPS的大批量穩(wěn)定生產，需加強其改性和應用研究。5特種密封劑密封劑往往不能事先按形狀和尺寸預制，因此其使用工藝性尤為重要。有機硅密封劑在航天工業(yè)領域應用廣泛。許多航天產品需要長期耐300℃密封、短期耐400℃以上密封或瞬間耐1000℃以上的密封等。國內通用型有機硅密封劑牌號眾多，生產廠家也很多。航天材料及工藝研究所擁有多種牌號的可用于航天型號的耐高溫耐燒蝕有機硅密封劑。目前我國已有高檔的單組分和雙組分PU密封劑，主要用于航天產品防水的電器連接件、電纜端部和插頭、線路板和其它電器組件的灌封等。雖然用于航天產品配套的特種高分子材料的研制雖然取得