CN107143704B - 一种碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷‑树脂复合材料管件，以陶瓷基复合材料为外壳，树脂基复合材料为内壳，外壳、内壳互相嵌套形成复合结构，内外壁表面光滑，复合材料中陶瓷组分沿管壁厚度方向呈梯度分布，由管件外表面逐渐向里减小，耐温性能好，能在600℃实现长期应用，相比于传统铝合金壳体，导热系数更低，耐高温防热性能更好；树脂组分沿管壁厚度方向也呈梯度分布，由管件内表面逐渐向外减小，并填充一定数目填料，提高树脂基材料耐温性能和抗冲击性能，使其具有减振抗震特性，两者一体成型，制备出集耐高温、防热、隔热、承载、减振于一体的轻质混杂陶瓷‑树脂复合材料管件。

Description

一种碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材 料管件

技术领域

本发明专利涉及一种混杂陶瓷-树脂复合材料管件，特别是涉及一种碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件，可以在600℃气动加热环境下实现长期应用。

技术背景

随着科学技术不断进步，现代战争呈现出新的特点，空空、空地导弹等精确制导武器不断更新换代。现在的导弹几乎能对付所有种类的目标，包括人员、车辆、飞机、舰艇、地下工事和机场，破坏目标的任务主要靠导弹来完成。在以空中袭击为主要模式的高技术局部战争中，精确的“外科手术”式打击倍受青睐，而机载导弹作为空中“外科手术”的主要实施者在各国国防预算的大力支持下迅速发展，其更新换代的速度远远超过了战斗机等各种武器装备，其战术性能指标要求也不断大幅提升，在减少重量体积、增加射程，提高随身性能和降低生产维护成本等方面都提出了苛到的要求，最显著的方面就是要求导弹的速度越来越快，导弹的射程越来越远。为达到这种要求导弹壳体的各方面性能都需要进行大幅的提升，突出表现在需要导弹壳体具有更好的隔热性能及更轻的质量。

机载导弹弹体的主要作用是承受发射时冲击振动载荷和飞行过程中所受外力，以及防止气动热的内传，确保导弹内部仪器设备的正常工作。以高超声速在稠密大气层中飞行的弹道导弹为例，导弹周围的空气由于受到极强的压缩和极大的磨擦作用，导弹飞行中的绝大部分动能转化成为热能，这使得导弹壳体周围的空气温度迅速升高。一部分热能受到高温气体与头罩之间巨大的温度差的驱动从外界快速的向物体表面传递，这种现象就是气动加热，是在大气层中以高超声速飞行的物体会普遍产生的现象。由于弹道导弹拦截技术的不断发展，在弹道导弹主动段对其进行拦截越来越多的受到各个国家的重视，这就迫使弹道导弹缩短主动段的时间，提高主动段的速度。例如，目前威力最大的俄罗斯SS-18导弹助推段工作时间为300秒，世界上服役导弹中最先进的美国“和平卫士”导弹助推段工作时间是180秒。这样短的助推段工作时间使得导弹在主动段末端达到极高的马赫数，由此产生的气动加热对导弹壳体的防热性能提出了严峻考验。具有轻质、比强，刚度高和可设计等特点的复合材料，尤其是开发最早、应用领域最广泛、抗氧化性能优异、热机械性能突出的纤维增强碳化硅基复合材料(C/SiC、SiC/SiC)成为了保证和进一步提高机载导弹作战性能的关键。

申请号为201010114714.7的中国发明专利公开了一种带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体及该防护层的制备方法，导弹包装外壳由外向内依次由外表层、防护层、保温层和内饰层四层粘结构成，外表层和内饰层由玻璃钢或铝合金制成，防护层由聚合物基PBO纤维复合材料制成，保温层由网状钢骨架内填充聚氨酯泡沫制成，该PBO纤维防护层的制备方法包括：1、按设计制作相应的玻璃钢模具并清理干净，并涂上脱模剂；2、在预先处理好的玻璃钢模具的阳膜上逐层铺放聚合物基PBO纤维复合材矩形布；3、闭合模具并抽真空；4、向膜腔内注射环氧树脂胶液；5、固化预成型的聚合物基PBO纤维复合材料防护层；6、按设计要求进行切割和修边。本发明的优点是聚合物基PBO纤维复合材料防护层基体内充分浸润树脂胶液，固化后的防护层结构致密，力学性能强，通过带有PBO纤维防护层的导弹包装壳体可防弹速430m/s-450m/s，且生产工艺节省人力，可提高生产效率，不易对施工人员造成伤害。其缺点是外表面还是使用玻璃钢或铝合金材料，其表面不能承受较高高温，不能在高温环境下长时间使用。

如上述一个专利，为了实现导弹在气动环境下的应用，多采取铝合金或钛合金等外壳材料，但是该传统材料的防热隔热性能较差，抗震减振效果不佳，因此，开发新型管件材料成为现在研究的重点之一。

发明内容

本发明专利的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种隔热防热性能更好、抗震减振效果更佳的轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件。

为实现本发明专利的目的所采用的技术方案是：一种碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件，复合材料管件密度为1.5g/cm³～2.0g/cm³，其特征在于以陶瓷基复合材料为外壳，树脂基复合材料为内壳，外壳、内壳互相嵌套形成复合结构，所述的管件内外壁表面光滑，壁厚为3mm-8mm；所述的碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件中陶瓷组分沿管壁厚度方向呈梯度分布，管件外表面陶瓷体积分数为45～55％，逐渐向里减小，到管件壳体厚度的1/2～1/3处陶瓷体积分数减小到0～5％；所述的碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件中树脂组分沿管壁厚度方向也呈梯度分布，管件内表面树脂体积分数为40～52％，逐渐向外减小，距管件外表面3～5mm处，体积分数减小到0～3％。

进一步的，所述的树脂基复合材料由酚醛树脂和填料构成，两者经充分混合，填料是SiO₂-玻璃粉或玻璃鳞片或玻璃纤维，所占的体积分数为3％-10％。

进一步的，所述的复合材料管件弹性模量为80GPa-90GPa，抗压强度为600MPa-700MPa。

本发明的有益效果是：①碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件采用陶瓷基复合材料，耐温性能好，能在1100℃以上温度实现短期应用，在600℃实现长期应用，同时相比于传统铝合金壳体，导热系数更低，耐高温防热性能更好；②碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件内部为改性酚醛树脂基材料，并填充一定体积分数的填料，提高树脂基材料的耐温性能和抗冲击性能，使得其具有减振抗震的特性；③碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件两者一体成型，制备出的壳体材料集耐高温、防热、隔热、承载、减振于一体，能够在多种复杂工况下实现应用。

附图说明

图1是一种碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件结构示意图。

图中10为陶瓷基复合材料，20为陶瓷组分，30为树脂填料，40为树脂基复合材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1

参照图1，是一种碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件结构示意图，10为陶瓷基复合材料，20为陶瓷组分，30为树脂填料，40为树脂基复合材料，复合材料管件密度为1.5g/cm³，以陶瓷基复合材料为外壳，树脂基复合材料为内壳，外壳、内壳互相嵌套形成复合结构，所述的管件内外壁表面光滑，壁厚为3mm；所述的碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件中陶瓷组分沿管壁厚度方向呈梯度分布，管件外表面陶瓷体积分数为45％，逐渐向里减小，到管件壳体厚度的1/2处陶瓷体积分数减小到2％；所述的碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件中树脂组分沿管壁厚度方向也呈梯度分布，管件内表面树脂体积分数为45％，逐渐向外减小，距管件外表面3mm处，体积分数减小到1％。

进一步的，所述的树脂基复合材料由酚醛树脂和填料构成，两者经充分混合，填料是SiO₂-玻璃粉或玻璃鳞片或玻璃纤维，所占的体积分数为10％。

进一步的，所述的复合材料管件弹性模量为80GPa，抗压强度为600MPa。

实施例2

参照图1，是一种碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件结构示意图，10为陶瓷基复合材料，20为陶瓷组分，30为树脂填料，40为树脂基复合材料，复合材料管件密度为2.0g/cm³，以陶瓷基复合材料为外壳，树脂基复合材料为内壳，外壳、内壳互相嵌套形成复合结构，所述的管件内外壁表面光滑，壁厚为8mm；所述的碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件中陶瓷组分沿管壁厚度方向呈梯度分布，管件外表面陶瓷体积分数为55％，逐渐向里减小，到管件壳体厚度的1/3处陶瓷体积分数减小到4％；所述的碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件中树脂组分沿管壁厚度方向也呈梯度分布，管件内表面树脂体积分数为51％，逐渐向外减小，距管件外表面5mm处，体积分数减小到2％。

进一步的，所述的树脂基复合材料由酚醛树脂和填料构成，两者经充分混合，填料是SiO₂-玻璃粉或玻璃鳞片或玻璃纤维，所占的体积分数为5％。

进一步的，所述的复合材料管件弹性模量为90GPa，抗压强度为700MPa。

本发明公开的技术内容是一种新型碳纤维增强耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件，采用陶瓷基复合材料为外壳材料，耐温性能好，能在1100℃以上温度实现短期应用，在600℃实现长期应用，而内部采用改性酚醛树脂基材料，并填充一定体积分数的填料，提高树脂基材料的耐温性能和抗冲击性能，使得其具有减振抗震特性，而传统管件多采用铝合金或钛合金等外壳材料，防热隔热性能较差，抗震减振效果不佳，另外，管件外部一般装有复杂线槽结构，需要在表面进行开孔处理，影响管件内部元器件正常工作，限制了材料的进一步应用，而新型管件集耐高温、防热、隔热、承载、减振于一体，二次加工技术成熟，能够在多种复杂工况下实现应用。

上述仅为本发明的二个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件，复合材料管件密度为1.5g/cm³～2.0g/cm³，其特征在于以陶瓷基复合材料为外壳，树脂基复合材料为内壳，外壳、内壳互相嵌套形成复合结构，所述的管件内外壁表面光滑，壁厚为3mm-8mm；所述的碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件中陶瓷组分沿管壁厚度方向呈梯度分布，管件外表面陶瓷体积分数为45～55％，逐渐向里减小，到管件壳体厚度的1/2～1/3处陶瓷体积分数减小到0～5％；所述的碳纤维增强的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件中树脂组分沿管壁厚度方向也呈梯度分布，管件内表面树脂体积分数为40～52％，逐渐向外减小，距管件外表面3～5mm处，体积分数减小到0～3％。

2.根据权利要求1所述的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件，其特征在于所述的树脂基复合材料由酚醛树脂和填料构成，两者经充分混合，填料是SiO₂-玻璃粉或玻璃鳞片或玻璃纤维，所占的体积分数为3％-10％。

3.根据权利要求1所述的耐高温高强度轻质混杂陶瓷-树脂复合材料管件，其特征在于所述的复合材料管件弹性模量为80GPa-90GPa，抗压强度为600MPa-700MPa。