CN108327153A - 一种复合材料硬质落球整流罩制备技术 - Google Patents

一种复合材料硬质落球整流罩制备技术 Download PDF

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Abstract

一种复合材料硬质落球整流罩制备技术，包括步骤:结构设计，整流罩的结构设计，包括头帽、头罩缠绕件、锥体缠绕件；材料选择，结合产品结构图和满足技术指标要求，对材料进行树脂基体和增强材料设计；成型工艺设计，采用模压成型工艺制备，包括胶丝、称料、投料、压制和后加工，头帽采用模压工艺制备，头罩和椎体采用缠绕工艺制备；粘接；后机加；装配。保证内部监控和探测设备的使用安全，确保产品功能的实现。

Description

一种复合材料硬质落球整流罩制备技术
技术领域
本发明涉及一种复合材料硬质落球整流罩制备技术。
背景技术
高速飞行器如洲际导弹、人造卫星、宇宙飞船等，从外层空间再入大气层是，其速度已接近于较低损石速度。在回地过程中，受热情况非常严重。卫星以8km/s速度回地时，驻点温度可以高达8000～10000K，中程导弹再入大气层，其头部周围温度在5800K。为了使弹头和再入飞行器不被烧毁，确保战斗部穿过大气层飞行时，使弹头外形结构保持完整，保持弹头和飞行器舱内有正常的工作条件（温度、压力等），对弹头和再入飞行器必须进行热防护。
由于温度较高，许多材料承受不了，如钢结构的强度在温度高于973K时会降低，铝镁合金只能在673K以下工作，炸药要求温度不超过353～373K,核战斗部装料及内装的精度仪器则要求温度不超过323～333K，因此，必须采取一些特别措施来解决头部放热问题，即所谓克服由于气动加热造成的热障。
尽管飞行器受热严重，但再入过程中，受热时间较短，对中程或洲际再入弹头受热时间约为（20～40）s，对人造卫星和飞船，其受热时间亦在（200～500）s。
对于上述的苛刻环境，采用的热防护方法通常有吸热法、辐射型防热法以及烧蚀法。采用吸热法需采用比热大，导热性好的金属，如铜、铍及其合金。但整体来说这类材料过去用在导弹弹头上，因高温下易熔融变形，性能不甚良好。辐射型防热法是以高辐射和低吸收为特征，在高热流的情况下，应用受到限制。故而烧蚀法是目前应用最广泛的防热方法。
实际烧蚀过程伴随着大量复杂的物理、化学变化,但大致来说,遵循如下机理,以高硅氧/酚醛材料为例,其烧蚀防热机理大致为①材料本身的热容吸热;②基体树脂的热分解和碳化吸热;③高硅氧纤维的熔化吸热;④“热阻”效应;⑤碳层表面的化学反应吸热。所以评价烧蚀材料应从以下几个方面着手:
(1)比热大,这样在烧蚀热程中可以吸收大量的热量。
(2)导热系数小,这样能使成高温的部分仅限于表面, 热难以传导到内部结构中去。
(3)密度小,在航空航天领域中,应最大限度地减少制造材料的总重量。
(4)烧蚀速度小, 即材料在高温环境中蚀掉的速度小。
以基体、增强纤维和界面相为主组成的复合材料由于其优异的力学性能、功能特性、材料可设计性及易制造成型等优点，已在各产业领域得到广泛的应用，尤其是各种基体的先进复合材料所具有的高比强度、高比刚度、耐高温、耐磨蚀、导电、导热、热膨胀系数小、抗疲劳性好、阻尼性能好、耐烧蚀、耐冲刷、抗幅射、吸波、换能以及其他物理功能，可以很好地满足耐烧蚀材料的要求。可以说，复合材料在耐烧蚀材料中的应用将有极大的前途。
烧蚀材料主要以纤维增强塑料及涂料的形式使用，其中使用的聚合物有环氧、酚醛、有机硅和聚氨酯。耐烧蚀材料的性能受多种因素影响，譬如基料的组成、结构和加工工艺影响，其中基体的选择更是重要。基体在烧蚀材料制造过程中是用作填料及各种添加剂的粘合剂，但对烧蚀材料的性能却起至关重要的影响。其中耐烧蚀复合材料的耐热性从根本上说就是基体的耐热性。必须选择耐热性高、成碳率高或者耐烧蚀的基体材料。
聚氨酯可用于制造密度极低的烧蚀用泡沫塑料。有机硅用于烧蚀材料的是具有弹性的聚甲基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷。该树脂在高温下呈现较大的热塑性，因而能够消除热压，但耐冲刷性不及酚醛和环氧树脂，因为它热解后形成的不是碳层而是二氧化硅。环氧树脂制成的材料机械性能好，但该树脂本身成碳率较低，仅15.6%。酚醛树脂热解后成碳率高，一般的可达50%左右，采用适当的工艺可使成碳率高于60%。树脂热降解后形成的碳是一种聚并苯结构的物质,它能把填料牢固地粘接在一起，抵抗热流的冲刷。因此高成碳率的酚醛树脂用于制造烧蚀材料，具有较好的耐冲刷性能。表1对常用高聚物的烧蚀性能作了对比，改性酚醛树脂的烧蚀性能在常用的高聚物中是较好的。表中A·R为烧蚀速率。
表1 常用高聚物的烧蚀性能
聚合物名称 A·R/mm·s-1 I200/s API/mm·s-2
聚甲基丙烯酸甲酯 0.46 11.6 7.93
聚四氟乙烯 0.52 11.8 8.8
聚氨酯树脂 0.72 8.0 18.0
酚醛树脂 0.11 39.6 0.56
环氧树脂 0.36 11.0 6.5
有机硅树脂 0.37 14.5 5.2
钢1010(对照物) 0.36 6.0 12
石墨（AJT）(对照物) 0.01 2.2 0.91
注: (Ⅰ)试验条件: 氧乙炔中性火焰温度3037 ℃，热流62.4×105/( m2·s) , 样品厚度12.7m；
(Ⅱ) I200是在上述火焰下样品背面达到200 ℃ 时所需的时间；
(Ⅲ) API(Ablative Performanee Index)为烧蚀性能指数API= (mm/s2) 。
美国的Koo JosePhH闭研究了29种烧蚀材料，这些材料分为3类：用各种纤维增强的酚醛树脂、弹性体和陶瓷。他从最大烧蚀深度、质量损耗、烧蚀热及烧蚀速率等指标上来作比较，得出酚醛树脂具有最佳综合烧蚀性能的结论。
酚醛树脂从20世纪60年代起就作为耐高温和耐烧蚀材料得以应用，作为热固性树脂的主要品种之一，它具有价格低廉，工艺性良好的优点，至今仍用作树脂基烧蚀材料的主要基体树脂，目前更是被广泛地应用于宇航材料中的耐烧蚀部件。但随着空间技术的迅速发展，对耐烧蚀材料树脂基体的耐热性和耐烧蚀性提出了更高的要求；另一方面，传统的酚醛树脂由于具有中等的热氧稳定性，内在的脆性，通过缩聚固化会有低分子挥发物的生成等缺点。难以满足更高的要求，因此酚醛树脂的改性和合成新型结构的酚醛树脂就成了耐烧蚀材料研究的热点。
国外研究状况
美国，俄罗斯及其它发达国家在该领域一直有较大投入，但由于该领域的敏感性，关键材料技术一直保密较严，特别是80年代中期以后的研究工作，国内能获取的有价值资料十分有限。
树脂基烧蚀防热复合材料在经历了以高硅氧/酚醛和Avcoat5026 -39为代表的第一阶段发展,以第一代碳/酚醛为代表的第二阶段发展, 以及以先进碳/酚醛为代表的第三阶段发展之后, 初步实现了低烧蚀速率和烧蚀形貌控制, 满足了高性能再入飞行器、行星探测器和高性能固体发动机热防护需求。后期主要研究重点包括: 在深入研究烧
蚀剥蚀的基础上进一步控制烧蚀剥蚀, 对不同材料不同环境的烧蚀剥蚀取得了更深入的认识, 为热防护系统选材和材料改进创新奠定了基础。
发展中低密度碳/酚醛复合材料以降低空间探测器防热结构质量比, 成功研制了PICA(Phenolic Impregnated Carbon Ablator)材料并应用于星尘(Stardust) 返回器的防热罩, 在约12MW/m2热流条件下, 防热质量比仅为22% , 正在发展Phenecarb(PhenolicCarbon)和BPA(Boeing Phenolic Ablator) 等中低密度防热复合材料,在提高防热效率的同时, 提高材料强度和防热结构可靠性。
1966年开始研制的“阿波罗号”登月飞船亦采用低密度烧蚀材料，及酚醛玻璃蜂窝格内填充环氧酚醛加石英纤维，充分显示出烧蚀材料的优点。
酚三嗪树脂(PT树脂)1989年最早报道于美国。其基本骨架是酚醛树脂，但其中引人了三嗪环。它同时具有环氧树脂的加工性能、双马来酰亚胺的高温性能和酚醛树脂的阻燃性能。普通酚醛树脂约在200℃以上即开始分解，而PT树脂要到440～450℃才开始分解。在氮气中，普通酚醛树脂的成碳率约60%，而PT树脂为68～70%，这正是耐烧蚀材料所希望的。特别是PT树脂在固化过程中无挥发性副产物，因而以其为基体材料的复合材料性能优越。
发展新型高性能碳/ 酚醛复合材料以应用于先进的武器系统, 如利用高强度的聚丙烯腈基碳纤维和以PAA( Polyarylacetylene) 为代表的新型高残炭耐烧蚀树脂发展新型碳/酚醛防热复合材料, 提高材料的力学性能和抗烧蚀性能, 同时进一步实现材料烧蚀形貌的控制。
PAA是由美国GE公司首次合成的一种更为先进的耐烧蚀树脂基体。它是一种高度交联的芳香族聚合物，仅含碳和氢。其主要优点是该种聚合物在惰性环境中加热到高温时仅有其质量10%的挥发物释出，成碳率高达90%，而吸湿性为0.1～0.2%，仅为酚醛的1/50，而且其固化反应为加成聚合反应，无低分子物释出;其主要特点是玻璃化温度高，热解温度高，热解峰温度为800℃，热解产物主要是氢气，是代替酚醛的一种高性能树脂。用其制成的碳纤维复合材料致密性好，烧蚀率和质量损失均明显优于碳/酚醛材料。
国内研究状况
闰联生等研究表明，900℃时硼酚醛树脂的成碳率为70%，大于普通酚醛树脂(50%左右)，树脂的起始分解温度为424℃，峰值温度高达625℃，热性能非常优良。在烧蚀过程中，硼酚醛材料产生的热解气体较少，烧蚀的内压降低，有利于提高耐烧蚀分层能力。肖翠蓉分别用氨酚醛和硼酚醛压制成玻璃纤维增强的火箭发动机喷管收敛段，进行烧蚀试验，在3144K、1.4 MPa下，烧蚀9.3s，玻璃纤维/氨酚醛的线烧蚀率为0.253 mm/s，而硼酚醛为0.084mm/s，仅为前者的1/3，并且碳化层均匀完整，质地坚硬，烧蚀性能明显优于氨酚醛。
华幼卿等在N2气氛，700℃下对已固化的钼酚醛,131H4酚醛、氨酚醛、钡酚醛进行热重分析，失重率分别为21.69%,37.53%,27.37%和31.87%，其中钼酚醛树脂的耐热降解性能最佳，成碳率最高。随钼含量的增加，热分解温度上升，热失重率下降，树脂的耐热性明显增加。这主要是由于铝元素进人酚醛树脂的主链，o-Mo-0键连接苯环，键能夫大提高。钼酚醛/碳布与氨酚醛/碳布的线烧蚀率分别为0.348mm/s，和0.491 mm/s，耐烧蚀性能提高20～30%，且保留了厚而完整、致密、多孔且与基材结合牢固的碳化层。
张衍等对已固化的苯基苯酚改性酚醛、钡酚醛、氨酚醛及普通的热固性酚醛树脂在N2气氛700℃下，进行了热重分析，成碳率为:70.8%、64.0%、60.0%、56.8%。热分解温度则依次为:449.0℃、405.0℃、355.7℃、420.1℃。苯基苯酚改性酚醛树脂的成碳率高达70.8%，成碳率和热分解温度远超过氨酚醛和钡酚醛，热性能优良。胡良全等的研究表明，苯基苯酚改性酚醛树脂复合材料的拉伸、压缩、弯曲及剪切强度值与钡酚醛材料相差不大。但氧乙炔线烧蚀率和质量烧蚀率均明显低于钡酚醛材料，平均线烧蚀率从23μm/s降至9 pm/s，平均质量烧蚀率从26 mg/s降至23mg/s。钡酚醛材料在烧蚀后，表面发白，碳布起层、拱起，烧蚀断面有空隙，烧蚀面大;而苯基苯酚改性酚醛材料烧蚀面发黑，残留大量酚醛碳，呈锥形烧蚀坑，边缘碳布也起层，断面无空隙，说明碳化后抗火焰能力较好。
国内四川大学顾宜等人的工作比较有代表性，他们合成出了多种结构的苯并噁嗪树脂。随着噁嗪环个数的增加，树脂的固化交联密度
增大，有利于树脂成碳率的提高。700℃下，多噁嗪环的树脂(PBOZ)成碳率可达68.0%。多环的苯苯并噁嗪复合材料。烧蚀试验表明，材料表面基本光滑，局部粗糙，平均烧蚀率为0.184mm/s，烧蚀性能较好。
闫联生等人采用硼酚醛对PAA进行改性，在不降低成炭率的情况下，明显改善了PAA与碳布的粘结性能，使炭／PAA复合材料的剪切强度由5．5Ⅷa提高到11Ⅷa，但固化过程释放出的小分子对成型加工不利；汪明等通过在PAA中加入Y-1树脂改性剂，明显改善了与碳纤维的界面性能，复合材料的界面剪切强度提高了40％～50％，层间剪切强度提高了将近1倍，烧蚀性能与未改性树脂基本相当。
虽然我国近几年在耐烧蚀复合材料基础研究领域方面取得了极大进步和突破，但作为实际使用的材料, 还需要考虑材料的加工工艺性及其总费用。对烧蚀材料的进一步评价是进行模拟实验和飞行实验, 考察在实际环境中的使用效果，我国在耐烧蚀复合材料具体产品中的实际使用方面，均无相关报告。
发明内容
本发明其目的就在于提供一种复合材料硬质落球整流罩制备技术，保证内部监控和探测设备的使用安全，确保产品功能的实现。
实现上述目的而采取的技术方案，
一种复合材料硬质落球整流罩制备技术，包括步骤:
1）结构设计，整流罩的结构设计，包括头帽、头罩缠绕件、锥体缠绕件；
2）材料选择，结合产品结构图和满足技术指标要求，对材料进行树脂基体和增强材料设计；
a） 树脂基体，采用改性酚醛树脂，要求900℃残炭率/%为72，开始分解温度/%为486；
b）增强材料，采用S玻璃纤维复合材料，要求密度
g/cm3为2.49，拉伸强度GPa为4.66，杨氏模量GPa为85，熔点℃为1250；
3）成型工艺设计，采用模压成型工艺制备，包括胶丝、称料、投料、压制和后加工，头帽采用模压工艺制备，头罩和椎体采用缠绕工艺制备；
a）头罩成型工艺设计，头罩采用胶丝预浸料模压工艺进行制备具体
胶丝制备
（1）用高强砂S-960，剪短为70～80mm的短丝；
（2）配置自制改性酚醛树脂，用酒精稀释成50%的固含量；
（3）将（1）和（2）按干基50%，在捏合机里揉合0.5h；
（4）将胶丝放置在50～60℃烘箱烘制5～6h；
（6）取出备用；
称料
（1）分三次分别称取30g胶丝，备用；
（2）将胶丝放在70～80℃平板压机上，压制成2mm厚左右的板料；
投料
（1）将磨具升温到150～160℃，保温备用；
（2）分三次将制备好的胶丝，分三次投入预热好的模具中；
压制
（1）将板料放置在预热好的模具中，进行压制，压制工艺参数：温度100℃，压力1～3MPa，时间5min；温度150℃，压力3～5MPa，时间10min；温度180℃，压力5～10MPa，时间60min；温度200℃，压力10～15MPa，时间120min；
（2）降至室温脱模；
后加工
将压制好的产品，放在抛光机上，进行抛光处理，去除毛刺和飞边；
4）头罩和锥体成型工艺设计，头罩和锥体采用缠绕工艺进行制备，包括清洗、配料、缠绕、固化、后加工；
清洗
用丙酮对模具进行清洗，且打蜡；
配料
（1）将增强材料S玻纤放置70～80℃烘箱中放置3h，备用；
（2）将自制改性酚醛放置50～60℃烘箱中放置3h，备用；
缠绕
（1）将增强材料S玻纤，取出放置于砂架上，调好张力大小为10～15N;
（2）将自制改性酚醛注入胶槽中，胶槽水浴温度控制在50～60℃；
（3）按照锥形容器法，对头罩和椎体进行缠绕；
头罩缠绕程序为：
（1）在模具0～100mm的位置，进行环向缠绕，纱片宽6mm，缠绕层数10层；
（2）在模具0～350的位置，进行纵向缠绕，缠绕角54°，纱片宽8mm，缠绕层数15层；
锥体缠绕程序为：
（1）在模具0～450mm的位置，进行环向缠绕，纱片宽6mm，缠绕层数2层；
（2）在模具0～450的位置，进行纵向缠绕，缠绕角54°，纱片宽8mm，缠绕层数15层；
固化
头罩和椎体缠绕件，固化成型；
后加工
按照要求，在数控车床上，对其进行后加工和打磨处理；
5） 粘接
（1）将改性酚醛树脂放置50～60℃烘箱中放置3h，备用；
（2）将头帽组合体，按照要求进行粘结；
（3）将对接环Ⅰ和头罩缠绕件，按照要求进行粘结；
（4）将对接环和锥体缠绕件，按照要求进行粘结；
（5）将连接环和锥体缠绕件，按照要求进行粘结；
（6）将（2）、（3）、（4）和（5）放入150～160℃，放置2；
6） 后机加
将头罩组合件和锥体组合件，在镗床上，按照要求，进行配打孔；
7） 装配
（1）用丙酮将销钉、螺钉、头罩组合件、锥体组合件进行清洗，晾干，备用；
（2）按照要求，对其进行装配。
有益效果
与现有技术相比本发明具有以下优点。
本发明保证内部监控和探测设备的使用安全，确保产品功能的实现：
（1）整流罩装配精度，要满足设计装配需求；
（2）整流罩需要有良好的透波性能，403±10MHz、460±10MHz、1232±10MHz、1574±10MHz、2400±10MHz范围内的无线电磁波信号的透波率大于80%（透波衰减值0.5 dB）；
（3）整流罩在飞行过程中承受的外压见表2，要求强度满足外压要求（安全系数f=2）；
（4）整流罩飞行过程中，不同时刻根部所受的载荷见表3，,要求强度满足载荷要求（安全系数f=2）；
（5）整流罩距离顶部轴向距离为0mm、350mm、700mm处的内外壁温度见表4所示，要求飞行过程中结构满足强度要求；
（6）质量轻，不超过3.5kg。
表2 整流罩外部压力变化（全长为L）
轴向位置（X/L） 外部母线压强（Pa）
顶点位置 245913
0.0625/2 106862
0.0625 84907
0.125 65147
0.25 47949
0.5 30860
1 23505
表3 整流罩根部载荷随时间变化
4.05s 5.95s 12.70s 13.80s
剪力 N 943.2 1447.2 1742.4 1641.6
弯矩 N*m 397.2 604.8 708 667.2
轴向力 N 1772.4 1486.8 1735.2 796.8
表4 整流罩气动加热温度
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1为本发明整流罩的结构3D示意图；
图2为本发明的头罩成型工艺流程示意图；
图3为本发明中的头罩压制工艺曲线图；
图4为本发明中的头罩和锥体成型工艺流程示意图。
具体实施方式
一种复合材料硬质落球整流罩制备技术，包括步骤:
1）结构设计，整流罩的结构设计，包括头帽、头罩缠绕件、锥体缠绕件；
2）材料选择，结合产品结构图和满足技术指标要求，对材料进行树脂基体和增强材料设计；
a） 树脂基体，采用改性酚醛树脂，要求900℃残炭率/%为72，开始分解温度/%为486；
b）增强材料，采用S玻璃纤维复合材料，要求密度
g/cm3为2.49，拉伸强度GPa为4.66，杨氏模量GPa为85，熔点℃为1250；
3）成型工艺设计，采用模压成型工艺制备，包括胶丝、称料、投料、压制和后加工，头帽采用模压工艺制备，头罩和椎体采用缠绕工艺制备；
a）头罩成型工艺设计，头罩采用胶丝预浸料模压工艺进行制备具体
胶丝制备
（1）用高强砂S-960，剪短为70～80mm的短丝；
（2）配置自制改性酚醛树脂，用酒精稀释成50%的固含量；
（3）将（1）和（2）按干基50%，在捏合机里揉合0.5h；
（4）将胶丝放置在50～60℃烘箱烘制5～6h；
（6）取出备用；
称料
（1）分三次分别称取30g胶丝，备用；
（2）将胶丝放在70～80℃平板压机上，压制成2mm厚左右的板料；
投料
（1）将磨具升温到150～160℃，保温备用；
（2）分三次将制备好的胶丝，分三次投入预热好的模具中；
压制
（1）将板料放置在预热好的模具中，进行压制，压制工艺参数：温度100℃，压力1～3MPa，时间5min；温度150℃，压力3～5MPa，时间10min；温度180℃，压力5～10MPa，时间60min；温度200℃，压力10～15MPa，时间120min；
（2）降至室温脱模；
后加工
将压制好的产品，放在抛光机上，进行抛光处理，去除毛刺和飞边；
4）头罩和锥体成型工艺设计，头罩和锥体采用缠绕工艺进行制备，包括清洗、配料、缠绕、固化、后加工；
清洗
用丙酮对模具进行清洗，且打蜡；
配料
（1）将增强材料S玻纤放置70～80℃烘箱中放置3h，备用；
（2）将自制改性酚醛放置50～60℃烘箱中放置3h，备用；
缠绕
（1）将增强材料S玻纤，取出放置于砂架上，调好张力大小为10～15N;
（2）将自制改性酚醛注入胶槽中，胶槽水浴温度控制在50～60℃；
（3）按照锥形容器法，对头罩和椎体进行缠绕；
头罩缠绕程序为：
（1）在模具0～100mm的位置，进行环向缠绕，纱片宽6mm，缠绕层数10层；
（2）在模具0～350的位置，进行纵向缠绕，缠绕角54°，纱片宽8mm，缠绕层数15层；
锥体缠绕程序为：
（1）在模具0～450mm的位置，进行环向缠绕，纱片宽6mm，缠绕层数2层；
（2）在模具0～450的位置，进行纵向缠绕，缠绕角54°，纱片宽8mm，缠绕层数15层；
固化
头罩和椎体缠绕件，固化成型；
后加工
按照要求，在数控车床上，对其进行后加工和打磨处理；
5） 粘接
（1）将改性酚醛树脂放置50～60℃烘箱中放置3h，备用；
（2）将头帽组合体，按照要求进行粘结；
（3）将对接环Ⅰ和头罩缠绕件，按照要求进行粘结；
（4）将对接环和锥体缠绕件，按照要求进行粘结；
（5）将连接环和锥体缠绕件，按照要求进行粘结；
（6）将（2）、（3）、（4）和（5）放入150～160℃，放置2；
6） 后机加
将头罩组合件和锥体组合件，在镗床上，按照要求，进行配打孔；
7） 装配
（1）用丙酮将销钉、螺钉、头罩组合件、锥体组合件进行清洗，晾干，备用；
（2）按照要求，对其进行装配。
实施例
本专利制备的整流罩主要由头帽、头罩缠绕件、配重体、配重环和对接环组成，其中配重体、配重环和对接环，为铝合金金属件。
本专利制备的整流罩为结构部件，属于先进复合材料的应用，除具有一定高的强度和刚度，还需要满足透波性能要求，同时在飞行过程要受到气流的冲刷，这就要求产品还必须具有一定的耐烧蚀性能，属功能性结构材料。
本专利制备的整流罩，外形尺寸靠模具保证，如何保证产品力学性能、透波性能和耐烧蚀功能的实现是设计的关键。
本专利技术综合了整流罩的结构设计、材料选择、成型工艺和后处理等技术内容。
1.1结构设计
整流罩的结构设计，如图1所示。
1.2材料选择
众所周知，树脂基纤维复合材料是由增强纤维和树脂基体构成，与金属材料相比，具有高比强度和比刚度、可设计性强、耐疲劳性好、透波、耐腐蚀性好以及耐高温等优点，已广泛应用于航天航空领域，成为了继钛、铝、钢后的第四大结构材料。
在构成复合材料的两大材料中，树脂主要起承担传递载荷、耐烧蚀和透波等功能，纤维主要起隔热、结构增强和透波等作用。复合材料设计中必须充分考虑采用透波性能好、导热系数小、比热大、密度小、耐烧蚀率低和强度较高的材料。
透波复合材料中，介电性能是其最重要的性能参数，主要有介电常数ε和介电损耗角正切tanδ。一般而言，材料的介电常数越小，电磁波在透波材料与空气的界面上的反射就愈小;介电损耗角正切值tanδ越小，电磁波在透过透波材料过程中转化为热量而损耗的能量越小，衰减就越少，透波率就越高。所以透波复合材料应选择高介电性能的增强材料和树脂基体。
耐烧蚀复合材料中，应充分考虑采用导热系数小、比热大、密度小、耐烧蚀率低的材料，耐烧蚀复合材料的耐热性从根本上说就是基体的耐热性。必须选择耐热性高、成碳率高或者耐烧蚀的基体材料。
结合产品结构图和满足技术指标要求，对材料主要进行树脂基体和增强材料设计。
1.2.1 树脂基体
用于透波复合材料的树脂基体有很多，主要的热固性树脂如表5所示。从表5可知，这些热固性树脂有比较良好的介电性能，但大部分树脂还是存在工艺等某些方面的缺陷。例如聚酯树脂通常只适用于手糊产品，而且由于苯乙烯易挥发、毒性较大，对环境污染大；环氧树脂、聚酰亚胺树脂虽然具有优良的综合性能，但前者介电性能一般，后者固化温度高，工艺性差，易吸潮而使电性能降低，不适合用于本专利的设计；有机硅树脂优点和缺点也很明显，透电磁波性能优良，在高温、潮湿下的介电性能也很稳定，但复合材料机械强度较低，且需高压成型。
常用作耐烧蚀材料的树脂基体主要有聚氨酯树脂类、环氧树脂类、有机硅树脂类等，材料典型见表6。其中聚氨酯、聚四氟乙烯、有机硅强度较低，不宜制备高性能结构材料。环氧树脂制成的材料机械性能好，但该树脂本身成碳率较低，仅为15.6%。酚醛树脂机械强度高，热解后成碳率可高达60%或以上，耐冲刷性能好，具有较好的综合性能，已广泛应用于耐烧蚀复合材料的制备。
表5 常用热固性树脂的介电性能（10GHz，20℃）
树脂 介电常数ε 损耗角正切值tanδ
聚酯树脂 2.7-3.2 0.005-0.020
环氧树脂 2.8-3.9 0.010-0.030
酚醛树脂 3.0-3.5 0.010-0.030
氰酸酯树脂 2.6-3.2 0.004-0.010
聚酰亚胺(PI) 2.7-3.2 0.005-0.008
双马来酰亚胺 2.8-3.2 0.005-0.007
有机硅树脂 2.8-2.9 0.002-0.006
表6 常用树脂基体的耐烧蚀性能
聚合物名称 A·R/ mm·s-1 I200s API/mm·s-2
聚甲基丙烯酸甲酯 0.46 11.6 7.93
聚四氟乙烯 0.52 11.8 8.8
聚氨酯树脂 0.72 8.0 18.0
酚醛树脂 0.11 39.6 0.56
环氧树脂 0.36 11.0 6.5
有机硅树脂 0.37 14.5 5.2
注:
(Ⅰ)试验条件: 氧乙炔中性火焰温度3037 ℃，热流62.4×105/( m2·s) , 样品厚度12.7mm；
(Ⅱ) A·R为烧蚀速率；
(Ⅲ)I200是在上述火焰下样品背面达到200 ℃时所需的时间；
(Ⅳ) API(Ablative Performanee Index)为烧蚀性能指数API=(mm/s2) 。
传统的酚醛树脂残碳率低，抗机械冲刷和烧蚀能力差。为改善此性能，目前已经研制出了多种高残碳率耐烧蚀树脂，如氨酚醛、钡酚醛、钼酚醛、硼酚醛、苯并噁嗪、酚三嗪树脂(PT)和聚方基己炔(PAA)，耐温性能温度见表7。
表7 改性酚醛的耐温性能
树脂类型 900℃残炭率/% 开始分解温度/%
硼酚醛 70 475
钡酚醛 58 425
氨酚醛 59 420
钼酚醛 56 424
苯并噁嗪 65 473
PT 62 459
改性酚醛 72 486
PAA 85 500
从表7中可以看出， PAA、改性酚醛和PT树脂残炭率和开始分解温度性能最好，但是PAA树脂制备的复合材料层间剪切强度较低，只有15MPa且价格昂贵，PT树脂在25～60℃温度范围内，粘度较大，一般选择为模压成型工艺，不适合缠绕成型工艺。
而改性酚醛树脂中的羟基被热稳定性高的三嗪环取代，同时反应形成的三嗪网状结构又有着优异的热和氧化稳定性，因此耐高温性能优良。另外，由于改性酚醛树脂中羟基含量降低，羟基间氢键的缔合作用减弱，因此在25～60℃温度粘度较低，适合成型工艺要求。
综合分析，改性酚醛树脂具有良好的介电性能、耐烧蚀性能和优良的成型工艺，是本专利设计的首先材料。
1.2.2增强材料
目前，用于透波复合材料的增强材料很多，主要包括玻璃纤维、高氧硅纤维、石英纤维等。各种增强纤维材料的性能对比如表8。
从表4可知，高硅氧纤维熔点较高，但是力学性能较低。石英纤维力学性能优异、电性能优异和熔点高，但是价格昂贵。综合考虑，S玻璃纤维性价比是最理想的制备该复合材料的增强纤维。
表8 各种增强纤维的性能
*Astmquartz-49;介电性能测试温度:20℃;测试频率:10GHz
1.2.3 材料设计结果
整流罩材料选择结果，见表9。
表9 材料设计结果
材料 名称
树脂基体 自制改性酚醛树脂
增强纤维 S玻璃纤维
1.3成型工艺设计
产品成型时，充分利用复合材料工艺与材料的同步性优势，实现强度、结构和功能一体化，保证质量一致性，有效降低工艺成本，采用模压成型工艺制备，具体成型工艺，如图2所示。
头帽、头罩缠绕件和锥体缠绕件成型时，充分利用复合材料工艺与材料的同步性优势，实现强度、结构和功能一体化，保证质量一致性，有效降低工艺成本。
在充分考虑头罩产品结构和功能的基础上，头帽采用模压工艺制备，头罩和椎体采用缠绕工艺制备。
1.3.1头罩成型工艺设计
头罩采用胶丝预浸料模压工艺，进行制备，具体成型工艺，见图2。
1.3.1.1胶丝制备
（1）用高强砂S-960，剪短为70～80mm的短丝；
（2）配置自制改性酚醛树脂，用酒精稀释成50%的固含量；
（3）将（1）和（2）按干基50%，在捏合机里揉合0.5h；
（4）将胶丝放置在50～60℃烘箱烘制5～6h；
（6）取出备用；
1.3.1.2称料
（1）分三次分别称取30g胶丝，备用；
（2）将胶丝放在70～80℃平板压机上，压制成2mm厚左右的板料。
1.3.1.3 投料
（1）将磨具升温到150～160℃，保温备用；
（2）分三次将制备好的胶丝，分三次投入预热好的模具中。
1.3.1.4 压制
（1）将板料放置在预热好的模具中，进行压制，压制工艺见图3。
（2）降至室温脱模。
1.3.1.5 后加工
将压制好的产品，放在抛光机上，进行抛光处理，去除毛刺和飞边。
1.3.2头罩和锥体成型工艺设计
头罩和锥体采用缠绕工艺进行制备，具体成型工艺，见图4。
1.3.2.1清洗
用丙酮对模具进行清洗，且打蜡。
1.3.2.2配料
（1）将增强材料S玻纤放置70～80℃烘箱中放置3h，备用；
（2）将自制改性酚醛放置50～60℃烘箱中放置3h，备用。
1.3.2.3缠绕
（1）将增强材料S玻纤，取出放置于砂架上，调好张力大小为10～15N;
（2）将自制改性酚醛注入胶槽中，胶槽水浴温度控制在50～60℃；
（3）按照锥形容器法，对头罩和椎体进行缠绕。
头罩缠绕程序为：
（1）在模具0～100mm的位置，进行环向缠绕，纱片宽6mm，缠绕层数10层；
（2）在模具0～350的位置，进行纵向缠绕，缠绕角54°，纱片宽8mm，缠绕层数15层；
锥体缠绕程序为：
（1）在模具0～450mm的位置，进行环向缠绕，纱片宽6mm，缠绕层数2层；
（2）在模具0～450的位置，进行纵向缠绕，缠绕角54°，纱片宽8mm，缠绕层数15层；
1.3.2.4固化
头罩和椎体缠绕件，固化成型见表10。
表10 固化程序表
1.3.2.4后加工
按照图1要求，在数控车床上，对其进行后加工和打磨处理。
1.4 粘接
（1）将自制改性酚醛树脂放置50～60℃烘箱中放置3h，备用；
（2）将头帽组合体，按照图1要求进行粘结；
（3）将对接环Ⅰ和头罩缠绕件，按照图1要求进行粘结；
（4）将对接环和锥体缠绕件，按照图1要求进行粘结；
（5）将连接环和锥体缠绕件，按照图1要求进行粘结；
（6）将（2）、（3）、（4）和（5）放入150～160℃，放置2。
1.5 后机加
将头罩组合件和锥体组合件，在镗床上，按照图1要求，进行配打孔。
1.6 装配
（1）用丙酮将销钉、螺钉、头罩组合件、锥体组合件进行清洗，晾干，备用；
（2）按照图1要求，对其进行装配。
2 本专利的效果
1.1 装配精度
整流罩装配精度，见表11。
表11 头罩装配精度
从表11中，可以看出：整流罩装配精度满足3.1目的要求。
2.2 飞行试验测试结果
本专利制备的整流罩，经过2015年制备的3件方案样机、2016年的10件初样机和2017年的5件试验样机，进行飞行试验，试验测试结果表明：
2.2.1透波测试
本专利制备的整流罩在0.403GHz、0.46GHz、1.232GHz、1.575GHz和2.4GHz共5个波段电磁波的衰减值的最大值分别为0.25dB，完全满足3.2目的要求。
2.2.2内外压差测试
本专利制备的整流罩在受表1外部压力作用下，考虑安全系数f=2，最大Vonmises应力为18MPa，远远小于复合材料拉伸强度547MPa，且飞行过程中整流罩结构完整，不破坏，满足3.3目的和使用要求。
2.2.3动态载荷测试
本专利制备的整流罩在受表2动态载荷作用下，考虑安全系数f=2，最大Vonmises应力为125MPa，远远小于复合材料拉伸强度547MPa；最大变形为1.441mm，且飞行过程中整流罩结构完整，不破坏，满足3.4目的要求。
2.2.4耐烧蚀性能测试
本专利制备的整流罩在受表3气动加热飞行过程后，整流罩结构完整，不破坏，满足3.5目的和使用要求。
2.2.5耐烧蚀性能测试
本专利制备的整流罩，质量为2.6kg，满足3.6目的要求。
本专利制备的整流罩，通过对试验测试结果和飞行试验验证，均表明：整流罩均满足目的和使用要求。

Claims (1)

1.一种复合材料硬质落球整流罩制备技术，其特征在于，包括步骤:
结构设计，整流罩的结构设计，包括头帽、头罩缠绕件、锥体缠绕件；
2）材料选择，结合产品结构图和满足技术指标要求，对材料进行树脂基体和增强材料设计；
a） 树脂基体，采用改性酚醛树脂，要求900℃残炭率/%为72，开始分解温度/%为486；
b）增强材料，采用S玻璃纤维复合材料，要求密度
g/cm3为2.49，拉伸强度GPa为4.66，杨氏模量GPa为85，熔点℃为1250；
3）成型工艺设计，采用模压成型工艺制备，包括胶丝、称料、投料、压制和后加工，头帽采用模压工艺制备，头罩和椎体采用缠绕工艺制备；
a）头罩成型工艺设计，头罩采用胶丝预浸料模压工艺进行制备具体
胶丝制备
（1）用高强砂S-960，剪短为70～80mm的短丝；
（2）配置自制改性酚醛树脂，用酒精稀释成50%的固含量；
（3）将（1）和（2）按干基50%，在捏合机里揉合0.5h；
（4）将胶丝放置在50～60℃烘箱烘制5～6h；
（6）取出备用；
称料
（1）分三次分别称取30g胶丝，备用；
（2）将胶丝放在70～80℃平板压机上，压制成2mm厚左右的板料；
投料
（1）将磨具升温到150～160℃，保温备用；
（2）分三次将制备好的胶丝，分三次投入预热好的模具中；
压制
（1）将板料放置在预热好的模具中，进行压制，压制工艺参数：温度100℃，压力1～3MPa，时间5min；温度150℃，压力3～5MPa，时间10min；温度180℃，压力5～10MPa，时间60min；温度200℃，压力10～15MPa，时间120min；
（2）降至室温脱模；
后加工
将压制好的产品，放在抛光机上，进行抛光处理，去除毛刺和飞边；
4）头罩和锥体成型工艺设计，头罩和锥体采用缠绕工艺进行制备，包括清洗、配料、缠绕、固化、后加工；
清洗
用丙酮对模具进行清洗，且打蜡；
配料
（1）将增强材料S玻纤放置70～80℃烘箱中放置3h，备用；
（2）将自制改性酚醛放置50～60℃烘箱中放置3h，备用；
缠绕
（1）将增强材料S玻纤，取出放置于砂架上，调好张力大小为10～15N;
（2）将自制改性酚醛注入胶槽中，胶槽水浴温度控制在50～60℃；
（3）按照锥形容器法，对头罩和椎体进行缠绕；
头罩缠绕程序为：
（1）在模具0～100mm的位置，进行环向缠绕，纱片宽6mm，缠绕层数10层；
（2）在模具0～350的位置，进行纵向缠绕，缠绕角54°，纱片宽8mm，缠绕层数15层；
锥体缠绕程序为：
（1）在模具0～450mm的位置，进行环向缠绕，纱片宽6mm，缠绕层数2层；
（2）在模具0～450的位置，进行纵向缠绕，缠绕角54°，纱片宽8mm，缠绕层数15层；
固化
头罩和椎体缠绕件，固化成型；
后加工
按照要求，在数控车床上，对其进行后加工和打磨处理；
5） 粘接
（1）将改性酚醛树脂放置50～60℃烘箱中放置3h，备用；
（2）将头帽组合体，按照要求进行粘结；
（3）将对接环Ⅰ和头罩缠绕件，按照要求进行粘结；
（4）将对接环和锥体缠绕件，按照要求进行粘结；
（5）将连接环和锥体缠绕件，按照要求进行粘结；
（6）将（2）、（3）、（4）和（5）放入150～160℃，放置2；
6） 后机加
将头罩组合件和锥体组合件，在镗床上，按照要求，进行配打孔；
7） 装配
（1）用丙酮将销钉、螺钉、头罩组合件、锥体组合件进行清洗，晾干，备用；
（2）按照要求，对其进行装配。
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