CN103538269B - 一种耐高温抗冲击复合材料壳体及其成型方法 - Google Patents

一种耐高温抗冲击复合材料壳体及其成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种耐高温抗冲击复合材料壳体及其成型方法，包括内胆体、隔热层、复合材料层和防护环；内胆体为不锈钢薄壁筒，内胆体的外圆周依次为隔热层和复合材料层；复合材料层包括缠绕在隔热层外圆周的斜纹纤维布以及缠绕在所述斜纹纤维布外圆周的芳纶纤维布；在所述复合材料层的外圆周沿轴向均匀分布有两个以上防护环。该壳体成型时采用物理和化学相结合的方法，将多种具备不同性能或功能的材料制成一种新的多相固体材料，使其能在250℃高温条件下可靠地工作而不发生明显变形。通过恰当的结构设计，采用硬、软不同的材料组合成复合材料，既提高了构件的整体强度和刚度，又具备一定的抗冲击能力。

Description

一种耐高温抗冲击复合材料壳体及其成型方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料壳体及其成型方法，具体涉及一种耐高温抗冲击复合材料壳体及其成型方法。
背景技术
为维护国家海洋战略权益，发展军民兼用的海洋高技术装备是当务之急。从近年国内外发展形势来分析，研发一种能在水下设定深度具有探测能力、用于侦察危险水域或对水下危险目标进行打击的装备是非常重要。
此外，随着科学技术的进步，现代探测与干扰、侦察与反侦察的手段也日趋成熟，为了保证国家海洋主权，有必要开发出一种在水下航行灵活，具有较长续航能力，且在探测、侦察的同时又能隐蔽自身，免遭打击，这就要求装备自身具备体积小、重量轻、运动灵活等特性。因此在设计阶段需对各部件的使用功能进行分析，在满足性能指标的情况下作到体积和重量最最小，特别是对于水下航行体的上层结构，因为上层结构体积和重量设计的大，不但导致整体重量增加，而且航行速度降低、航行时的灵活性也将受到制约与限制。鉴于水下航行体上层结构通常是作为排气管和通讯天线基座的安装平台，要求其具备一定抗冲击和耐高温特性，有必要开发出一种耐高温抗冲击复合材料结构以满足航行体技术性能的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种耐高温抗冲击复合材料壳体及其成型方法，采用该方法制造的复合材料壳体，能够在250℃工况下，承受一定的外力冲击而不发生明显变形，且能可靠地工作。
所述耐高温抗冲击复合材料壳体包括：内胆体、隔热层、复合材料层和防护环；所述内胆体为不锈钢薄壁筒，内胆体的外圆周依次为隔热层和复合材料层；所述复合材料层包括依次缠绕在隔热层外圆周的无捻粗沙布、斜纹纤维布及芳纶纤维布；在所述复合材料层的外圆周沿轴向均匀分布有两个以上防护环。
步骤一：选用不锈钢薄壁筒作为内胆体；
步骤二：在所述内胆体的外圆周面上设置隔热层：
首先在所述内胆体的外圆周面上均匀涂覆柔韧型环氧胶，待所述柔韧型环氧胶呈半干状时，将设定厚度的隔热层包覆在内胆体的外圆周面上；
步骤三：在上述隔热层的外圆周面上设置复合材料层：
在所述隔热层的外圆周面上缠绕一层以上用环氧树脂胶浸渍后的无捻粗沙布，在缠绕过程中对被缠绕的无捻粗纱布施以恒定拉力；
待隔热层与内胆体间的柔韧型环氧胶完全固化后，在上述无捻粗沙布外缠绕用环氧树脂胶浸渍后的斜纹纤维布；待室温下固化24h后，在上述斜纹纤维布外表面缠绕一层以上用环氧树脂胶浸渍后的芳纶纤维布，在缠绕过程中对被缠绕的芳纶纤维布施以恒定拉力。
步骤四：在所述复合材料层的外圆周面上沿轴向均匀设置两个以上防护环。
在所述内胆体的两端分别焊接有法兰。
将所述两个法兰加工为圆锥形结构，其小端面相对，且两个法兰与内胆体焊接处的壁厚与内胆体的壁厚一致。
所述隔热层外圆周面上无捻粗沙布的层数为2～3层。
所述复合材料层中的斜纹纤维布采用2/2斜纹布。
所述复合材料层中芳纶纤维布缠绕的层数为2～3层。
有益效果：
（1）由于采用了上述的结构形式，所以用该工艺成型技术制造出的壳体内部能承受250℃高温气流的作用而不影响整体结构的性能；由于壳体在制作时采用了多种具备不同性能的材料组合而成，且在其外表面采用了耐压防护层，因而能承受一定的外力冲击。
（2）该工艺采用物理和化学相结合的方法，将多种具备不同性能或功能的材料制成壳体结构，使其能在250℃高温条件下可靠地工作而不发生明显变形。同时依据实际使用工况，确保工作时具有足够的刚性和强度，采用金属件作为内胆体，通过恰当的结构设计，采用硬、软不同的材料组合成复合材料，既提高了构件的整体强度和刚度，又具备一定的抗冲击能力。
（3）将隔热材料封装在金属内胆体与复合材料之间，这样既能承受内胆体内250℃高温气流的作用，又能隔绝内部高温传至结构体外表面；由于复合材料采用了多种具备不同性能的材料组合而成，且在其外表面采用了耐压防护层，因而能承受一定的外力冲击。
附图说明
图1为所述耐高温抗冲击复合材料壳体的结构组成示意图。
图2是用本发明耐高温抗冲击复合壳体制作的桅杆的具体应用示意图。
其中：1-桅杆、2-大端连接法兰、3-内胆体、4-隔热层、5-复合材料层、6-耐压防护环、7-小端连接法兰
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例提供一种采用耐高温抗冲击的复合材料制造的桅杆，图2显示了该桅杆在水下航行器上的安装位置。桅杆为水下航行器内部动力源排放废气的通道，同时还兼做通讯天线基座的安装平台。本实施例中桅杆总长5m、通径150mm，工作时其大部分在水面下随航行器运动。航行器在运动过程中，要求桅杆在承受一定冲击力及内部250℃气流的条件下，仍然能够正常工作；同时应在满足使用强度和刚度的条件下，使其重量达到最小。
为使桅杆能够满足上述使用要求，本实施例提供如图1所示的桅杆结构，包括大端连接法兰2、内胆体3、隔热层4、复合材料层5、耐压防护环6和小端连接法兰7。采用的工艺流程为：大、小端连接法兰加工－内胆体加工－金属件焊接、整形及消应力处理－隔热层、耐压防护层加工与修整－金属件涂胶－隔热层粘接－复合材料制作－耐压防护层装配。
具体为：为使加工后的桅杆1在工作过程中内部能够流通250℃高温的气体，桅杆1中的内胆体3选用不锈钢薄壁筒，以提高其耐高温的能力。为便于装配，在内胆体3的两端分别用焊接工艺连接大端连接法兰2和小端连接法兰7。为提高焊接成型后，大端连接法兰2和小端连接法兰7与内胆体3连接处的强度，将所述两个法兰与内胆体3的连接端加工为圆锥形结构，且两个法兰与内胆体3焊接处的壁厚与内胆体3的壁厚相同。这样设计不仅增强了焊接处的焊接强度，降低了该处的应力集中；还简化了后续工艺的实施。为使两个法兰在过渡处具备一定的抗弯强度，将其过渡面设计成圆弧过渡，同时尽量将大端连接法兰2和小端连接法兰7与内胆体3的焊缝位置远离过渡面，以达到避免过渡面应力集中之目的，这样即可确保过渡面的抗弯强度，又易于铺覆复合材料层。
为使内胆体3在工作过程中保持内外表面的温度一致，阻断外界海水对其的影响，在内胆体3的外圆周面上包敷设定厚度的隔热层4（如耐热纤维层）。其操作工艺是：首先将柔韧性能好，温度交变膨胀率小的柔韧型环氧胶均匀涂覆在内胆体3的外圆周面上，待其呈半干状时，将复合型隔热层4包覆在内胆体3的外圆周面上；然后在隔热层4的外圆周面上用无捻粗沙布缠绕2～3层，在缠绕过程中一是对被缠绕的无捻粗纱布施以设定的拉力（保证其缠绕均匀），二是边浸渍环氧树脂胶边缠绕；以确保隔热层4能够紧贴在内胆体3的外圆周面，同时增强复合型隔热层4的连接强度，提高整体构件的刚度。
为进一步提高桅杆1的整体强度与刚度，采用的方法是：待隔热层4与内胆体3间的柔韧型环氧胶完全固化后，再在上述无捻粗沙布外缠绕设定层数的浸透过环氧树脂胶的斜纹纤维布中的2/2斜纹布。这种斜纹布的特点是铺覆性好，适合于形状较复杂的制品。待室温下固化24h，依次用60#或120#砂纸对外其外表面进行打磨修整。为使整体具备一定的抗冲击能力，在上述2/2斜纹布外表面再缠绕2～3层芳纶纤维布，具体为：对芳纶纤维布施以恒定拉力的条件下，边浸渍环氧树脂胶边缠绕，目的是利用芳纶纤维自身具有的抗冲击性，高的疲劳寿命和抗紫外线的作用。待其完全固化后，用60#或120#砂纸打磨，最后用360#水砂抛光，由此完成了复合材料层5的制作。
为进一步提高桅杆1的抗冲击能力，在复合材料层5的外圆周面上沿轴向均匀设置有若干耐压防护环6，耐压防护环6的材料选用耐海水、耐臭氧老化性能强的橡胶。
所述桅杆1在航行器上的安装形式如图1所示：将桅杆大端连接法兰2上的耳环通过标准轴销与航行器壳体12的相应构件连接，形成可做旋转运动的绞支。位于航行器内部的驱动单元8中的驱动缸一端与大端连接法兰2上的耳环采用球绞结构连接，另一端与航行器壳体12采用绞支结构相连；这样桅杆1在做放倒或竖立运动时，由于与大端连接法兰2相连的三个支点中有两点采用的是球绞结构，因而在工作时可提高连接处的强度。由于桅杆1的功能一是航行器壳体12内部动力源排放废气的通道，二是作为通讯天线基座的安装平台，为此，在桅杆1的小端连接法兰7上装配有防浪阀9，防浪阀9顶部作为通讯天线10的安装平台，防浪阀9的另一功能是在保证动力源排放废气量的同时，当遇涌浪能阻止海水大量进入通气口。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.耐高温抗冲击复合材料壳体的成型方法，其特征在于，
步骤一：选用不锈钢薄壁筒作为内胆体(3)；
步骤二：在所述内胆体(3)的外圆周面上设置隔热层(4)：
首先在所述内胆体(3)的外圆周面上均匀涂覆柔韧型环氧胶，待所述柔韧型环氧胶呈半干状时，将设定厚度的隔热层(4)包覆在内胆体(3)的外圆周面上；
步骤三：在上述隔热层(4)的外圆周面上设置复合材料层(5)：
在所述隔热层(4)的外圆周面上缠绕一层以上用环氧树脂胶浸渍后的无捻粗纱布，在缠绕过程中对被缠绕的无捻粗纱布施以恒定拉力；
待隔热层(4)与内胆体(3)间的柔韧型环氧胶完全固化后，在上述无捻粗纱布外缠绕用环氧树脂胶浸渍后的斜纹纤维布；待室温下固化24h后，在上述斜纹纤维布外表面缠绕一层以上用环氧树脂胶浸渍后的芳纶纤维布，在缠绕过程中对被缠绕的芳纶纤维布施以恒定拉力；
步骤四：在所述复合材料层(5)的外圆周面上沿轴向均匀设置两个以上防护环(6)。
2.如权利要求1所述的耐高温抗冲击复合材料壳体的成型方法，其特征在于，在所述内胆体(3)的两端分别焊接有法兰。
3.如权利要求2所述的耐高温抗冲击复合材料壳体的成型方法，其特征在于，将所述两个法兰加工为圆锥形结构，其小端面相对，且两个法兰与内胆体(3)焊接处的壁厚与内胆体(3)的壁厚一致。
4.如权利要求1或2所述的耐高温抗冲击复合材料壳体的成型方法，其特征在于，所述隔热层(4)外圆周面上无捻粗纱布的层数为2～3层。
5.如权利要求1或2所述的耐高温抗冲击复合材料壳体的成型方法，其特征在于，所述复合材料层(5)中的斜纹纤维布采用2/2斜纹布。
6.如权利要求1或2所述的耐高温抗冲击复合材料壳体的成型方法，其特征在于，所述复合材料层(5)中芳纶纤维布缠绕的层数为2～3层。
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