CN105856585A - 一种火箭用大尺寸轻质保护盖整体成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种火箭用大尺寸轻质保护盖整体成型方法，步骤为：(1)大尺寸框架式筒盖状阳模制备；(2)采用连续的单向碳纤维/环氧树脂预浸料，运用极坐标与相位补缺相结合的铺层方式，整体连续铺层保护盖顶部和侧壁的内蒙皮，固化制得整体内蒙皮；(3)采用胶膜在内蒙皮外侧胶接拼贴PMI泡沫层；(4)采用连续的单向碳纤维/环氧树脂预浸料，运用极坐标与相位补缺相结合的铺层方式，整体连续铺层保护盖顶部和侧壁的外蒙皮；(5)采用热压罐工艺整体共固化，完成后脱去阳模，最终制得火箭用大尺寸轻质保护盖。采用本发明方法制备的保护盖承载性好、减重效果显著，同时也解决了纤维布铺层方案纤维褶皱、连续性差、承载性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料为主的火箭用轻质保护盖的整体成型方法。
背景技术
运载火箭的尾部、各级间部段均包含有众多易损部件，组装发射前容易在运输、吊装、贮存等过程中因意外碰撞而导致损伤破坏，进而导致部件报废或返厂维护，严重影响型号的发射进度。因此，火箭尾部和各级间部段常采用保护盖来保护内部的重要部件。
传统的火箭保护盖采用金属材料制备，重量较大，运输和吊装困难。特别是随着新一代运载火箭尺寸的显著增加，采用传统金属保护盖将严重超重，难以进行运输和吊装等。因此，研制运载火箭用大尺寸轻质保护盖已迫在眉睫。
近年来，复合材料泡沫夹层结构由于轻质、承载性好、可设计性强等优势得到了快速的发展。复合材料泡沫夹层结构是由复合材料面板和泡沫芯材胶接而成，具有较高的结构刚度和较小的结构重量，比蜂窝夹层结构更易于成型复杂件，被广泛应用于对刚度要求高的飞行器尾翼、尾梁、机身等部件和舰船壳体等。
运载火箭的保护盖，顶部呈圆盖状，侧壁为圆筒状。若采用复合材料蜂窝夹层制备保护盖，存在制造工艺复杂、圆盖段和圆筒段连接的过度区成型困难的问题，且复合材料蜂窝夹层结构尺寸较大时剪切性能不足。此外，由于运载火箭保护盖要求较高的承载性，传统的碳纤维布铺层工艺制备该保护盖，尤其是铺层其过渡区时容易出现铺层褶皱、纤维不能完全连续的现象，导致其不满足高承载性的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于保护火箭外露易损部件的大尺寸轻质复合材料保护盖整体成型方法，采用本发明方法制备的产品承载性好、减重效果显著，解决了传统金属方案质量太重、成型难、运转困难的问题，同时也解决了传统纤维布铺层方案纤维褶皱、连续性差、承载性差的问题，特别适用于大尺寸筒盖状复合材料构件的制备。
本发明的技术解决方案是：一种火箭用大尺寸轻质保护盖整体成型方法，包括如下步骤：
(1)采用钢板加工筒盖状阳模外型面，其中圆盖状部分作为保护盖顶部，圆筒状部分作为保护盖侧壁，圆盖状部分和圆筒状部分的连接区作为过渡区域，然后采用钢质型材焊接成框架式支架，再将筒盖状阳模外型面焊接到框架式支架上，制得框架式阳模模具；
(2)采用连续的单向碳纤维/环氧树脂预浸料，在框架式阳模模具上先按照平面极坐标的方式整体连续铺层保护盖顶部和侧壁，然后将缺料部分划分为不同象限，各个象限内再按平面直角坐标的方式铺层缺料部分；所述的平面极坐标的方式为在铺层时首先建立极坐标系，先确定角度，然后在该角度方向上从极坐标系的原点开始由内向外的延伸铺层，并通过不断的改变角度完成整体平面的铺层；所述的平面直角坐标的方式为在铺层时首先建立平面直角坐标系，定位缺料位置的直角坐标，并在定位直角坐标处单独进行铺层；
(3)重复步骤(2)执行8～15次，重复过程中保证每一次的极坐标方式的角度起始位置要互相错位；执行完成后经热压罐工艺在80～180℃和0.4～0.7Pa压力下固化1～3h，制得整体内蒙皮；
(4)按照保护盖顶部、侧壁和过渡区的尺寸和形状，通过机加或热定型方法分别加工成片状、弧形、双曲率状的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫；然后先在内蒙皮外侧沿着整个外型面，在保护盖顶部和侧壁上全部粘贴胶膜，再在胶膜外沿着整个外型面，在保护盖顶部和侧壁分别粘贴聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层；
(5)将聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层作为刚性支撑，再次按照步骤(2)和步骤(3)的方式，在聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层的表面上制得整体外蒙皮；
(6)采用热压罐工艺在80～180℃和0.1～0.4Pa压力下固化1～3h，完成后脱去筒盖状阳模，制得火箭用保护盖。
所述的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的密度范围为70～200kg/m3。所述碳纤维为T300级碳纤维、T700级碳纤维、T800级碳纤维和T1000级碳纤维中的一种或其组合。所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂中的一种或其组合。所述胶膜为环氧树脂胶膜、聚氨酯树脂胶膜和氰酸脂树脂胶膜中的一种或其组合。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法采用钢板机加成筒盖状外型面，采用钢质型材焊接支架，再将外型面焊接到支架上，制成框架式阳模模具，可以使超大尺寸保护盖固化温度场的温度差小于5℃；
(2)本发明方法采用单向碳纤维/环氧树脂预浸料成型复合材料蒙皮，并与PMI泡沫芯整体成型夹层结构大尺寸保护盖，比传统金属方案减重30％以上，解决了传统金属方案质量太重、成型困难、运载困难的问题；
(3)本发明方法采用连续的单向碳纤维/环氧树脂预浸料整体连续铺层保护盖顶部圆盖段和侧壁圆筒段，比传统碳纤维布铺层方案承载性能提高15％以上；
(4)本发明方法采用先按极坐标方法铺层，缺料部分再按相位补缺方法铺层的方案，解决了大尺寸筒盖状复材产品铺层褶皱和纤维不能完全连续的难题。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：
(1)大尺寸框架式模具制造
采用钢板机加成筒盖状阳模外型面(其尺寸应当与实际火箭用的保护盖尺寸相当，其中圆盖状部分为保护盖顶部，圆筒状部分为侧壁，圆盖部段和圆筒部段的连接区为过渡区域)，然后采用钢质型材焊接成框架式支架，再将筒盖状阳模外型面焊接到框架式支架上，即制得框架式阳模模具。
(2)整体制备顶部和侧壁的内蒙皮
采用连续的单向碳纤维/环氧树脂预浸料，在框架式阳模模具上先按照平面极坐标整体连续铺层保护盖顶部和侧壁。缺料部分再划分为4～8个象限，各个象限内再按直角坐标，铺层保护盖顶部和侧壁。至此完成了一次铺层，实际使用过程中，大概需要铺8～15层。当然，为了保证效果，各层起始位置之间要互相错位，例如半个象限，可以解决传统纤维布铺层方案铺层褶皱、承载性差的问题。
这里的极坐标是指极坐标系，也即在铺层时建立极坐标系，先确定角度，然后在该角度方向上从极坐标系的原点开始由内向外的延伸铺层，并通过不断的改变角度完成整体铺层。
直角坐标方式也即定点的方式，同样在极坐标系的原点作为直角坐标系的原点，在缺料部分按照直角坐标进行定位，然后再进行补料。
然后经热压罐工艺在80～180℃和0.4～0.7Pa压力下固化1～3h，制得整体内蒙皮。
所述单向碳纤维为T300级单向碳纤维、T700级单向碳纤维、T800级单向碳纤维和T1000级单向碳纤维中的一种或其组合。
所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂中的一种或其组合。
(3)泡沫层成型
按照保护盖顶部、侧壁和过渡区尺寸和形状要求，通过机加或热定型方法分别加工成片状、弧形并且为双曲率状的PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫。
所述PMI泡沫的密度范围为70～200kg/m3。
先在内蒙皮外侧沿着其整个外型面，在保护盖顶部和侧壁上全部粘贴胶膜，再在胶膜外沿着其整个外型面，在保护盖顶部和侧壁上全部粘贴PMI泡沫层。
所述胶膜为环氧树脂胶膜、聚氨酯树脂胶膜和氰酸脂树脂胶膜中的一种或其组合。
(4)整体连续铺层顶部和侧壁的外蒙皮
将PMI泡沫层作为刚性支撑，先按照平面极坐标整体连续铺层保护盖顶部和侧壁。缺料部分再划分为4～8个象限，各个象限内再按直角坐标铺层保护盖顶部和侧壁。
(5)整体共固化成型
采用热压罐工艺在80～180℃和0.1～0.4Pa压力下共固化1～3h，完成后进行脱模，即可制得火箭用大尺寸轻质保护盖。
实施例1
(1)采用钢板和钢质型材成型大尺寸框架式阳模。(2)采用连续的单向T300级碳纤纤维/双酚A环氧树脂预浸料，先按照平面极坐标整体连续铺层保护盖顶部和侧壁。缺料部分再划分为4个象限，各个象限内再按直角坐标，铺层保护盖顶部和侧壁，共铺10层。经热压罐工艺150℃在0.6Pa压力下固化2h，制得整体内蒙皮。(3)采用环氧树脂胶膜在内蒙皮外侧胶接拼装密度为110kg/m3的PMI泡沫层。(4)将泡沫层作为刚性支撑，先按照平面极坐标整体连续铺层保护盖顶部和侧壁。缺料部分再划分为4个象限，各个象限内再按直角坐标，铺层保护盖顶部和侧壁。(5)采用热压罐工艺150℃在0.3Pa压力下整体共固化2h，即制得火箭用大尺寸轻质保护盖。该方案比传统金属方案减重40％，比传统碳纤维布铺层方案承载性能提高20％。
实施例2
(1)采用钢板和钢质型材成型大尺寸框架式阳模。(2)采用连续的单向T800级碳纤纤维/双酚F环氧树脂预浸料，先按照平面极坐标整体连续铺层保护盖顶部和侧壁。缺料部分再划分为8个象限，各个象限内再按直角坐标，铺层保护盖顶部和侧壁，共铺8层。经热压罐工艺175℃在0.6Pa压力下固化1.5h，制得整体内蒙皮。(3)采用聚氨酯树脂胶膜在内蒙皮外侧胶接拼装密度为90kg/m3的PMI泡沫层。(4)将泡沫层作为刚性支撑，先按照平面极坐标整体连续铺层保护盖顶部和侧壁。缺料部分再划分为8个象限，各个象限内再按直角坐标，铺层保护盖顶部和侧壁。(5)采用热压罐工艺175℃在0.2Pa压力下整体共固化1.5h，即制得火箭用大尺寸轻质保护盖。该方案比传统金属方案减重45％，比传统碳纤维布铺层方案承载性能提高16％。
实施例3
(1)采用钢板和钢质型材成型大尺寸框架式阳模。(2)采用连续的单向T700级碳纤维/环氧树脂预浸料，先按照平面极坐标整体连续铺层保护盖顶部和侧壁。缺料部分再划分为6个象限，各个象限内再按直角坐标，铺层保护盖顶部和侧壁，共铺12层。经热压罐工艺120℃在0.5Pa压力下固化3h，制得整体内蒙皮。(3)采用氰酸脂树脂胶膜在内蒙皮外侧胶接拼装密度为80kg/m3PMI泡沫层。(4)将泡沫层作为刚性支撑，先按照平面极坐标整体连续铺层保护盖顶部和侧壁。缺料部分再划分为6个象限，各个象限内再按直角坐标，铺层保护盖顶部和侧壁。(5)采用热压罐工艺120℃在0.3Pa压力下整体共固化3h，即制得火箭用大尺寸轻质保护盖。该方案比传统金属方案减重32％，比传统碳纤维布铺层方案承载性能提高19％。
实施例4
(1)采用钢板和钢质型材成型大尺寸框架式阳模。(2)采用连续的单向T1000级碳纤维/环氧树脂预浸料，先按照平面极坐标整体连续铺层保护盖顶部和侧壁。缺料部分再划分为4个象限，各个象限内再按直角坐标，铺层保护盖顶部和侧壁，共铺10层。经热压罐工艺130℃在0.6Pa压力下固化2.5h，制得整体内蒙皮。(3)采用环氧树脂胶膜在内蒙皮外侧胶接拼装密度为75kg/m3的PMI泡沫层。(4)将泡沫层作为刚性支撑，先按照平面极坐标整体连续铺层保护盖顶部和侧壁。缺料部分再划分为4个象限，各个象限内再按直角坐标，铺层保护盖顶部和侧壁。(5)采用热压罐工艺130℃在0.2Pa压力下整体共固化2.5h，即制得火箭用大尺寸轻质保护盖。该方案比传统金属方案减重38％，比传统碳纤维布铺层方案承载性能提高18％。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种火箭用大尺寸轻质保护盖整体成型方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用钢板加工筒盖状阳模外型面，其中圆盖状部分作为保护盖顶部，圆筒状部分作为保护盖侧壁，圆盖状部分和圆筒状部分的连接区作为过渡区域，然后采用钢质型材焊接成框架式支架，再将筒盖状阳模外型面焊接到框架式支架上，制得框架式阳模模具；
(2)采用连续的单向碳纤维/环氧树脂预浸料，在框架式阳模模具上先按照平面极坐标的方式整体连续铺层保护盖顶部和侧壁，然后将缺料部分划分为不同象限，各个象限内再按平面直角坐标的方式铺层缺料部分；所述的平面极坐标的方式为在铺层时首先建立极坐标系，先确定角度，然后在该角度方向上从极坐标系的原点开始由内向外的延伸铺层，并通过不断的改变角度完成整体平面的铺层；所述的平面直角坐标的方式为在铺层时首先建立平面直角坐标系，定位缺料位置的直角坐标，并在定位直角坐标处单独进行铺层；
(3)重复步骤(2)执行8～15次，重复过程中保证每一次的极坐标方式的角度起始位置要互相错位；执行完成后经热压罐工艺在80～180℃和0.4～0.7Pa压力下固化1～3h，制得整体内蒙皮；
(4)按照保护盖顶部、侧壁和过渡区的尺寸和形状，通过机加或热定型方法分别加工成片状、弧形、双曲率状的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫；然后先在内蒙皮外侧沿着整个外型面，在保护盖顶部和侧壁上全部粘贴胶膜，再在胶膜外沿着整个外型面，在保护盖顶部和侧壁分别粘贴聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层；
(5)将聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层作为刚性支撑，再次按照步骤(2)和步骤(3)的方式，在聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层的表面上制得整体外蒙皮；
(6)采用热压罐工艺在80～180℃和0.1～0.4Pa压力下固化1～3h，完成后脱去筒盖状阳模，制得火箭用保护盖。
2.根据权利要求1所述的一种火箭用大尺寸轻质保护盖整体成型方法，其特征在于：所述的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的密度范围为70～200kg/m3。
3.根据权利要求1或2所述的一种火箭用大尺寸轻质保护盖整体成型方法，其特征在于：所述碳纤维为T300级碳纤维、T700级碳纤维、T800级碳纤维和T1000级碳纤维中的一种或其组合。
4.根据权利要求1或2所述的一种火箭用大尺寸轻质保护盖整体成型方法，其特征在于：所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂中的一种或其组合。
5.根据权利要求1或2所述的一种火箭用大尺寸轻质保护盖整体成型方法，其特征在于：所述胶膜为环氧树脂胶膜、聚氨酯树脂胶膜和氰酸脂树脂胶膜中的一种或其组合。
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