CN104875397B - Z‑pin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Z‑pin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法，采用沿着母线平行方向缠绕成型方法，工艺简便，提高了材料利用率，降低了技术难度，拓宽了成型材料种类。Z‑pin将喷管预制体母线方向连续的纤维连接起来，将预制体连接为一个整体，提高了喷管整体性能。与针刺技术相比，Z‑pin的连接效果明显，同时降低了对基体材料的损伤程度。

Description

Z-pin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法
技术领域
本发明涉及复合材料成型方法，特别是指一种Z-pin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法。
背景技术
由于复合材料具有高的比模量比强度，同时因其结构的设计与制造一体化的优势，使得复合材料在航空航天领域得到广泛应用。除此之外，复合材料还可以进一步加工成具有绝热、导热、导电、耐高温、耐腐蚀等性能的耐高温复合材料，成为航空航天领域的一些具有特殊性能要求的部件的制造材料的首选。例如，复合材料制造的航天发动机的喷管、高硅氧/酚醛复合材料制造的绝热层。
复合材料成型的喷管预制体不仅简化了喷管结构，还可以大大提高发动机的冲质比。从而使得纤维复合材料喷管在航天飞行器及战术导弹发动机上被大量的应用。目前喷管预制体成型方法有三维编织和缠绕工艺，三维编织缠绕张力不均匀，成型质量不稳定，生产周期长。通过缠绕成型喷管预制体的方法分为三种：叠层缠绕、斜向缠绕、沿着母线平行方向缠绕。采用叠层缠绕将会导致喷管小口径段需要填充大量材料造成浪费；斜向缠绕要求缠绕布带有很大的变形率，成型的复合材料受限；一般沿母线平行方向缠绕因为母线方向纤维不连续而降低喷管整体性能。而针刺技术在沿着母线方向缠绕方法应用时会对布带造成严重损伤且对母线方向纤维的连接效果一般。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种Z-pin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法，以满足航天固体发动机喷管的减重性要求和提高喷管工作效率，降低纤维复合材料制造成本。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种Z-pin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法，包括以下步骤：
S1、通过牵引装置牵引增强碳纤维依次通过胶槽酚醛树脂浸润、模具成型并预固化、高温烘道后固化处理，得高性能碳纤维增强酚醛Z-pin；
S2、在Z-pin植入设备的软件里输入设计要求的Z-pin点阵分布，根据缠绕布带宽度来确定Z-pin的X方向的间距，，利用Z-pin植入设备将Z-pin植入转移泡沫，Z-pin植入泡沫长度等于Z-pin总长的一半，Z-pin植入角度为90°；
S3、将加工完好的喷管芯模两端的轴心与缠绕机转轴顶针对齐，将喷管芯模安装在缠绕设备旋转轴上；
S4、将喷管芯模模具进行表面处理，并将聚四氟乙烯隔离薄膜缠绕到芯模上；
S5、进行线型试验，在喷管芯模上进行试缠，确定缠绕需要的布带宽度和缠绕张力；
S6、通过缠绕机编写缠绕程序，采用碳纤维增强酚醛树脂预浸布沿着模具母线平行方向螺旋缠绕成型喷管预制体，缠绕相邻的两层布带之间搭接量为布带宽度的一半；
S7、缠绕过程中可根据喷管不同部位的厚度调节缠绕层数，在喷管喉衬部位凹曲面进行补强；
S8、缠绕成型结束，将Z-pin通过超声辅助植入设备植入喷管预制体纤维布搭接区域，去除泡沫和额外的Z-pin。
其中，所述步骤S1中所得的Z-pin直径0.5mm。
其中，步骤S8中超声辅助植入设备的植入频率为35KHz。
其中，所述步骤S2中根据连接区域要求设计Z-pin点阵分布。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：采用沿着母线平行方向缠绕成型方法，工艺简便，提高了材料利用率，降低了技术难度，拓宽了成型材料种类。Z-pin将喷管预制体母线方向连续的纤维连接起来，将预制体连接为一个整体，提高了喷管整体性能。与针刺技术相比，Z-pin的连接效果明显，同时降低了对基体材料的损伤程度。
附图说明
图1为Z-pin连接喷管预制体示意图。
图2为Z-pin连接喷管预制体示意图。
图中：1-Zpin；2-泡沫；3-Z-pin的X方向间距；4-Z-pin的Y方向间距；
5-纤维布；6-喷管芯模模具。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明实施例提供了一种Z-pin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法，包括如下步骤：
S1、通过牵引装置牵引增强碳纤维依次通过胶槽、模具、烘道，纤维在胶槽和酚醛树脂浸润，通过加热的模具成型并预固化，高温烘道对Z-pin进行后固化处理，提高Z-pin性能；根据Z-pin的拉挤工艺将Z-pin直径确定在0.5mm；
S2、在Z-pin植入设备的软件里输入设计要求的Z-pin点阵分布，根据缠绕布带宽度来确定Z-pin1的X方向的间距，如图1所示，Z-pin1的X方向间距3等于缠绕布带宽度的一半，Y方向的间距4为5mm；Z-pin1长度与喷管成型厚度相等；利用Z-pin1植入设备将Z-pin植入转移泡沫2，Z-pin植入泡沫2长度等于Z-pin1总长的一半。Z-pin植入角度为90°；
S3、将加工完好的喷管芯模两端的轴心与缠绕机转轴顶针对齐，将喷管芯模安装在缠绕设备旋转轴上；
S4、将喷管芯模模具6进行表面处理，并将聚四氟乙烯隔离薄膜缠绕到芯模上；
S5、进行线型试验，在喷管芯模上进行试缠，确定缠绕需要的布带宽度为20mm，缠绕张力确定为：预张力(100±5)N；张力(200±40)N；压辊压力(120±2)N；
S6、通过缠绕机编写缠绕程序，采用碳纤维增强酚醛树脂预浸布沿着模具母线平行方向螺旋缠绕成型喷管预制体，缠绕相邻的两层布带之间搭接量为布带宽度的一半；
S7、缠绕过程中可根据喷管不同部位的厚度调节缠绕层数，在喷管喉衬部位凹曲面进行补强；
S8、缠绕成型结束，将Z-pin1通过超声辅助植入设备植入喷管预制体纤维布5搭接区域，调整超声植入设备的植入频率为35KHz，将布满Z-pin的泡沫载体切割成与喷管需要连接部位相符合的尺寸，在缠绕预制体外表面铺放一层聚四氟乙烯薄膜，将切割好的布满Z-pin的载体泡沫固定在喷管需要连接部位，通过超声辅助植入设备将Z-pin植入缠绕完成的喷管预制体，植入深度达到喷管连接部位厚度时，关闭超声植入设备，停止植入，将额外的Z-pin和载体泡沫去除。
本具体实施采用沿着母线平行方向缠绕成型方法，工艺简便，提高了材料利用率，降低了技术难度，拓宽了成型材料种类。Z-pin将喷管预制体母线方向连续的纤维连接起来，将预制体连接为一个整体，提高了喷管整体性能。与针刺技术相比，Z-pin的连接效果明显，同时降低了对基体材料的损伤程度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.Z-pin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法,其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过牵引装置牵引增强碳纤维依次通过胶槽酚醛树脂浸润、模具成型并预固化、高温烘道后固化处理，得高性能碳纤维增强酚醛Z-pin；
S2、在Z-pin植入设备的软件里输入设计要求的Z-pin点阵分布，根据缠绕布带宽度来确定Z-pin的X方向的间距，利用Z-pin植入设备将Z-pin植入转移泡沫，Z-pin植入泡沫长度等于Z-pin总长的一半，Z-pin植入角度为90°；
S3、将加工完好的喷管芯模两端的轴心与缠绕机转轴顶针对齐，将喷管芯模安装在缠绕设备旋转轴上；
S4、将喷管芯模模具进行表面处理，并将聚四氟乙烯隔离薄膜缠绕到芯模上；
S5、进行线型试验，在喷管芯模上进行试缠，确定缠绕需要的布带宽度和缠绕张力；
S6、通过缠绕机编写缠绕程序，采用碳纤维增强酚醛树脂预浸布沿着模具母线平行方向螺旋缠绕成型喷管预制体，缠绕相邻的两层布带之间搭接量为布带宽度的一半；
S7、缠绕过程中可根据喷管不同部位的厚度调节缠绕层数，在喷管喉衬部位凹曲面进行补强；
S8、缠绕成型结束，将Z-pin通过超声辅助植入设备植入喷管预制体纤维布搭接区域，去除泡沫和额外的Z-pin。
2.根据权利要求1所述的Z-pin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法，其特征在于，所述步骤S1中所得的Z-pin直径0.5mm。
3.根据权利要求1所述的Z-pin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法，其特征在于，步骤S8中超声辅助植入设备的植入频率为35KHz。
4.根据权利要求1所述的Z-pin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法，其特征在于，所述步骤S2中根据连接区域要求设计Z-pin点阵分布。
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