CN108505400B - 一种纤维湿法成型方法及一种空天飞机隔热瓦结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纤维湿法成型方法及一种空天飞机隔热瓦结构，本发明通过实施一种新的纤维湿法成型方法从而制得高密度且具有底面和侧面垂直的盒状结构的纤维湿法成型制品，并基于以上成型方法，制作用于空天飞机大面积热防护的刚性陶瓷纤维隔热瓦的较高密度瓦壳，内充低密度隔热材料，在隔热瓦的表观密度不增大的前提下，大幅度地提高隔热瓦的刚度和强度，并使隔热瓦的安装简化。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维湿法成型方法及一种空天飞机隔热瓦结构，本发明的目的是通过实施一种新的纤维湿法成型方法从而制得具有较大密度及具有底面和侧面垂直的盒状结构的纤维湿法成型制品；本发明的另一目的是基于以上成型方法，制作用于空天飞机大面积热防护的新型刚性陶瓷纤维隔热瓦。
背景技术
无论是纸纤维还是陶瓷纤维、碳纤维及其他纤维，其湿法成型一般分为负压法和正压法两种，负压法即使用真空通过模具成型面上的孔(缝)隙抽吸纤维浆中的水，纤维被模具上的覆网拦截成型，而正压法则是通过对纤维浆施压达到上述目的，因为对纤维浆施加的压力远大于真空压力，所以正压法能够制作较厚和密度较大的制品。但是上述两种方法的现有技术都无法做出既具有足够壁厚和密度，又具有底面和侧面垂直的盒状结构的制品。
另据资料介绍，美国航天飞机大面积热防护的刚性陶瓷纤维隔热瓦经3代改进，其表面的耐高温性能、热导率及轻质化均已达到令人满意的程度，但其刚度和强度则因此过弱，即为追求轻质化和低热导率必然要降低密度，而在同样材料条件下，刚度和强度与密度正相关，这是现有技术的一个矛盾。据资料介绍，第一代全石英纤维型隔热瓦L1系列不同密度不同方向的抗拉强度及抗压强度如下表：
| 强度别 | 方向别 | L1-900 | L1-2200 |
| 抗拉强度MPa | 厚度方向(弱向) | 0.166 | 0.503 |
| 抗拉强度MPa | 平面方向(强向) | 0.462 | 1.241 |
| 抗压强度MPa | 厚度方向(弱向) | 0.193 | 0.896 |
| 抗压强度MPa | 平面方向(强向) | 0.483 | 1.586 |
| 密度 | 0.145 | 0.35 |
由上表数据可知：
1、密度由0.145克/立方厘米增至0.3克/立方厘米5后，强度增大至原来的2.6至4.6倍；
2、较高密度强向的强度远远超过较低密度弱向，其中抗拉强度：7.5倍；抗压强度：8.2倍。
以上数据反映出隔热瓦技术大有潜力可挖。
隔热瓦现有技术除以上缺点外尚有安装及更换麻烦、制作成本高等缺陷。
发明内容
鉴于纤维湿法成型方法现有技术不能制作既具有足够壁厚和密度，又具有底面和侧面垂直的盒状结构的制品的现状，本发明提出一种盒状结构制品的纤维湿法成型方法，即通过对密封容腔内的纤维浆施压，使之在模具的成型面上均匀排水沉积，再经上下及侧面多方向的对沉积纤维的挤压脱水成型及转移至热定型工位的模具内干燥定型，从而制得具有较大密度及具有底面和侧面垂直的盒状结构的纤维湿法成型制品。与现有技术相比本发明的优点不言而喻：
1、填补纤维湿法成型制品的空白。此类盒状结构制品具有广泛用途，如建筑业浇注空心楼盖的纸质方箱、包装业的强化包装箱以及本文提出的陶瓷纤维隔热瓦盒状瓦壳等。
2、与要达到同样目的的其他方法相比，具有成本低廉、制作周期短的优势。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
1、以发明专利《制备纸浆模压板材的模具＞》(已授权，申请号2006101096079)及《纸浆模压板材及其制备装置》(已授权，申请号202010105420010)公开的一种纸浆高压成型方法为基础。该方法的要点是将浓度为0.1-5％的纸浆定量注入由上模组合体、下模组合体和围框组成的三件式模具容腔中，上模组合体及下模组合体分别与围框密封，初始上述容腔的容积最大，随着上下模具在外力作用下的相互接近，上述容腔容积逐渐变小从而对纸浆产生持续压力，使纸浆中的水由模具的孔或缝隙排出，纸纤维则被模具表面包覆的丝网拦截沉积在模具的表面成型，当上下模间距达到设定间隙时，作用在上下模上的外力达到最大值，成型纸纤维间的水分被充分挤出。本发明将上述发明的原料纸浆扩展为所有可用湿法成型的纤维浆，并对模具做出如下修改。
2、为叙述方便起见，假设所制盒状结构制品的侧壁与底面的夹角以及相邻侧壁间夹角均为90度，与所成型制品外表面形状一致的凹模被分解成5片模板，其中成型制品底部的1片称为凹模底模板，成型制品侧壁的4片称为凹模侧模板。
3、凹模底模板及凹模侧模板每片由各自的驱动装置驱动，行程为2至100毫米；每片模板面向凸模一面设置孔或缝隙并包覆丝网以将被其挤压出的凸模表面沉积纤维层的水排至另一侧，也可以不设置。
4、凸模有与所成型制品的内表面一致的形状，表面开有孔或缝隙并覆网，当上下模相向运动对纤维浆施压时，纤维在凸模表面排水沉积成型。
5、凸模与凸模安装座间的联接为可快速插拔式。
6、当凸模被设置为下模时，凸模安装在下模安装板上，凹模底模板则与固联在上模安装板上的驱动装置的推拉杆端头连接，处在上模安装板下方，凹模侧模板被安装在与上模安装板固联且连接处密封的凹模桶内，每个凹模侧模板与固联在凹模桶外壁上的驱动装置的推拉杆端头连接。
7、当凸模被设置为上模时，凹模底模板及其驱动装置被分别安装在下模安装板上方和下方，而凹模侧模板被安装在仍然与上模安装板固联且连接处密封的凹模桶内，凹模侧模板每片与固联在凹模桶外壁上的驱动装置的推拉杆端头连接。
8、无论凸模被设置为上模还是下模，下模均通过下模安装板安装在一个水平放置的活塞上面，围框套在活塞上可以动密封地上下运动。
9、当上下模相向运动至凹模侧模板与下模安装板接触后，驱动装置驱动凹模底模板和凹模侧模板向凸模方向运动对沉积纤维层施压。
10、所有凹模底模板和侧模板都到达设定位置后，成型制品湿坯的含水率降至46％以下，打开活塞上残余纤维浆排放口并吹净上、下模的孔或缝隙里残余水后开模连同凸模一起取出所成型的湿坯。
11、将所成型湿坯连同凸模一起放入热模内定形并干燥到含水率小于6％。
12、凸模为从内部可拆式，去除相对的两块凸模侧面板间的支撑，即可依次取下所有的凸模侧面板、底板及丝网。
13、此方法可扩展到以下所有盒状结构纤维湿法成型制品的制作：(1)侧壁与底面夹角为90至120度之间；(2)侧壁由3块以上的多平面组成，或由2块以上的柱曲面、截锥曲面组成；(3)侧壁和\或底面带有凸凹筋；(4)侧壁带有翻边。
鉴于空天飞机大面积热防护的刚性陶瓷纤维隔热瓦刚度和强度过低，不能满足使用要求，本发明提出一种空天飞机隔热瓦的结构及安装方法，即应用所述纤维湿法成型方法制作具有盒状结构及具有较高密度和强度的隔热瓦壳，瓦壳的空腔内填充低密度陶瓷纤维棉或烧结块及铺设反光金属箔或采取其他反辐射手段，瓦壳的4个侧壁内壁的近下缘处压制出沟槽，与飞机铝蒙皮固定的由耐温400度以上弹性材料制作的卡扣能够嵌入以上沟槽，再配以在瓦与蒙皮之间涂覆的耐高温密封胶从而将隔热瓦紧密牢固地固定在飞机外壳上。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
1、选择与本发明技术方案最适合的纤维组合材料、烧结助剂及遮光剂等制成浓度尽可能低的纤维浆。
2、应用所述纤维湿法成型方法制作出隔热瓦的瓦壳干坯，将干坯放入电炉中以适宜温度烧结，烧结后的密度为0.1至1.2，以0.6至0.8为优选。
3、密度确定后，瓦壳的壁厚按隔热瓦总成的表观密度不高于美国航天飞机第3代隔热瓦的密度设定为好。
4、瓦壳的四个侧壁内侧的近下缘处压制出沟槽，沟槽深度以壁厚的40％左右为优选，此局部区域密度较高。
5、在飞机铝蒙皮上固定(如铆接固定)由耐温400度以上弹性材料制作的卡扣，嵌入上述沟槽，并在瓦与蒙皮之间涂覆耐高温密封胶从而将隔热瓦紧密牢固地固定在飞机外壳上。
6、瓦壳内填充密度适宜的陶瓷纤维棉或烧结块，并铺设反光金属箔或采取其他反辐射手段。
7、瓦壳的外表面涂覆高辐射涂层。
与现有技术相比，本发明的优势是：
1、能够在不增加隔热瓦整体重量的条件下，大幅度提高隔热瓦表面的刚度和强度。
2、能够使隔热瓦的平面方向和厚度方向的强度差异趋于一致。
3、隔热瓦与机身蒙皮的卡扣式连接方法简单可靠，并能依赖卡扣的弹性允许隔热瓦与蒙皮间由于热膨胀系数差异带来的微小相对位移。
4、能够在隔热瓦内加入金属反光箔，降低辐射传热。
5、瓦壳制作成本低廉。
附图说明：
本发明附图6页：
图1至图3为隔热瓦盒状瓦壳成型模具的3种工作状态示意图。
图2至图6为强化包装箱成型模具的3种工作状态示意图。
图7至图9为空心楼盖方箱成型模具的3种工作状态示意图。
图10为隔热瓦盒状瓦壳示意图。
图11为隔热瓦与机身蒙皮的卡扣式连接示意图。
具体实施方式
一、纤维湿法成型盒状结构制品的方法
实施例1：隔热瓦盒状瓦壳的制作(不含烧结工序)
隔热瓦盒状瓦壳的成型模具的3种工作状态分别如图1至图3所示。
图中：1为一体的上模安装板与凹模桶，简称凹模桶；2为凹模底模板；3为凹模侧模板；4为液压缸；5为凸模；6为凸模侧模板支撑；7为一体的下模安装板与活塞，简称活塞；8为围框；9为隔热瓦盒状瓦壳湿坯。
原料：短切的石英纤维、氧化铝纤维等。
步骤1：将原料与去离子水按1∶100的重量比例充分搅拌制成纤维浆，详细过程略。
步骤2：置成型模具如图1所示状态，此时由凹模桶1、围框8及活塞7所成容腔容积为最大，从凹模桶1上的注浆口(未画出)将所制纤维浆注入容腔，当纤维浆注满容腔后，关闭注浆口和凹模桶顶部的排气口(未画出)。
步骤3：令凹模桶1及其所推动的围框8下行，不断缩小的容腔对纤维浆产生持续压力，水被通过凸模5上的缝隙及活塞7上的排水管排出，而纤维被覆盖在凸模表面的丝网拦截沉积。
步骤4：如图2所示，当凹模侧模板3底面与活塞7接触后，凹模桶1及围框8停止下行，凹模底模板2和侧模板3在液压缸4驱动下开始对凸模5上沉积的纤维层进行挤压脱水成型，此时的脱水除通过凸模5上的缝隙外，大部分水通过凹模各模板与凸模5相对表面的丝网及缝隙被排到模板的另一侧。
步骤5：如图3所示，凹模各模板完成对凸模5上沉积的纤维层的挤压脱水，隔热瓦盒状瓦壳湿坯9已成型。
步骤6：打开凹模桶1上的压缩空气进口(未画出)及活塞7上的残余纤维浆排放口，清除残余纤维浆。
步骤7：凹模各模板退回原位，凹模桶1升起，连同凸模5一起将隔热瓦盒状瓦壳湿坯9取出并换上循环使用的另一个凸模5组成。
步骤8：在热定型机上进行热定型，获得含水率低于6％的隔热瓦盒状瓦壳干坯。
步骤9：拆下凸模侧模板支撑6，依次取出组成凸模5的各模板及丝网完成凸模5与隔热瓦盒状瓦壳干坯的分离。对拆下的凸模5重新组装备下一循环使用。
实施例2：强化包装箱的制作
强化包装箱成型模具的3种工作状态分别如图4至图6所示，与实施例1的不同之处在于：1、尺寸远大于隔热瓦瓦壳；2、侧壁与底面夹角大于90度，成型后的湿坯可以从凸模上直接脱下；3、原料为纸浆。
其余与实施例1同。
实施例3：空心楼盖方箱的制作
空心楼盖方箱成型模具的3种工作状态分别如图7至图9所示，其特点是因方箱侧壁具有翻边，因此凹模侧模板的驱动液压缸轴线与水平面有30度夹角，作用是能够对方箱的侧壁翻边施压。
方箱产品某规格外形尺寸：500*500*300毫米，侧壁与底面夹角100度，壁厚4毫米，翻边宽30毫米。原料：废旧瓦楞纸箱。
辅料：防水剂。
步骤1：制浆。将原料与水按1∶100的重量比例在水力碎浆机中碎解成浆并在碎解后期加入防水剂，然后将纸浆泵入储浆罐再充分搅拌均匀备用。
步骤2：成型。除湿坯可从凸模上直接脱下外，其余过程与实施例1相同。方箱产品密度0.8克/立方厘米。
二、空天飞机大面积热防护的刚性陶瓷纤维隔热瓦
实施例4：
1、选择与本发明技术方案最适合的纤维组合材料、烧结助剂及遮光剂等制成浓度为0.8％的纤维浆。
2、应用实施例1所述方法制作出隔热瓦的瓦壳干坯，将干坯放入电炉中以适宜温度烧结，烧结后的密度为0.8克/立方厘米。
3、瓦壳形状如图10所示，瓦壳的壁厚为6毫米，长*宽*高为150*150*30毫米。
4、瓦壳的四个侧壁内侧的近下缘处压制出沟槽，沟槽深度为2.4毫米，此局部区域密度最高可达1.2克/立方厘米以上。
5、瓦壳与飞机铝蒙皮的连接如图11所示，在飞机铝蒙皮上铆接由耐温400度以上弹性材料制作的卡扣24，嵌入上述沟槽，并在瓦壳21与蒙皮23之间涂覆耐高温密封胶(未画出)从而将隔热瓦紧密牢固地固定在飞机外壳上。
6、壳21内填充密度为0.244克/立方厘米的刚性陶瓷纤维烧结块22，并铺设反光金属箔(未画出)，瓦壳21和填充的刚性陶瓷纤维烧结块22的总重量/总体积＝236.25克/675立方厘米＝0.35克/立方厘米(表观密度)。
7、壳的外表面涂覆高辐射涂层。
实施例5：
瓦壳烧结后密度为0.6克/立方厘米，瓦壳内填充密度为0.05克/立方厘米的氧化铝纤维，隔热瓦整体的表观密度为0.172克/立方厘米。
其余与实施例4相同。
Claims (10)
1.一种纤维湿法成型盒状结构制品的方法，将浓度为0.1-5％的纤维浆定量注入由上模组合体、下模组合体和围框组成的三件式模具容腔中，上模组合体及下模组合体分别与围框密封，初始上述容腔的容积最大，随着上、下模具在外力作用下的相互接近，上述容腔容积逐渐变小从而对纤维浆产生持续压力，使纤维浆中的水由模具的孔或缝隙排出，纤维则被模具表面包覆的丝网拦截沉积在模具的表面成型，当上、下模具间距达到设定间隙时，作用在上、下模具上的外力达到最大值，成型纤维间的水分被充分挤出，其特征在于：与所成型的盒状结构制品外表面形状一致的凹模被分解成至少3片模板，包括成型的盒状结构制品底部的至少1片的凹模底模板，成型的盒状结构制品侧壁的至少2片的凹模侧模板，凹模底模板及凹模侧模板每片分别由各自的驱动装置驱动，行程为2至100毫米；而与成型的盒状结构制品的内表面形状一致的凸模表面开有孔或缝隙并覆网，当上、下模具相向运动对纤维浆施压时，纤维在凸模表面排水沉积成型；当上、下模具相向运动至凹模侧模板与下模安装板接触后，驱动装置驱动凹模底模板和凹模侧模板向凸模方向运动对沉积纤维层施压。
2.一种由权利要求1所述的纤维湿法成型盒状结构制品的方法，其特征在于：每片凹模底模板和凹模侧模板面向凸模一面均设置孔或缝隙并包覆丝网以将被其挤压出的凸模表面的沉积纤维层的水排至另一侧。
3.一种由权利要求1所述的纤维湿法成型盒状结构制品的方法，其特征在于：此方法扩展到以下所有纤维湿法成型盒状结构制品的制作：(1)侧壁与底面夹角为90至120度之间；(2)侧壁由3块以上的多平面组成，或由2块以上的柱曲面、截锥曲面组成；(3)侧壁和\或底面带有凸凹筋；(4)侧壁带有翻边。
4.一种空天飞机大面积热防护的刚性陶瓷纤维隔热瓦，其特征在于：应用权利要求1或2所述方法制作出隔热瓦的盒状结构瓦壳干坯，将干坯放入电炉中以适宜温度烧结。
5.一种由权利要求4所述的隔热瓦，其特征在于：烧结后的瓦壳干坯密度为0.1至1.2克/立方厘米。
6.一种由权利要求5所述的隔热瓦，其特征在于：烧结后的瓦壳干坯密度为0.6至0.8克/立方厘米。
7.一种由权利要求5所述的隔热瓦，其特征在于：瓦壳的四个侧壁内侧的近下缘处压制出沟槽。
8.一种由权利要求7所述的隔热瓦，其特征在于：沟槽深度为壁厚的40％，沟槽区域密度较高。
9.一种由权利要求4-8中的任一项所述的隔热瓦，其特征在于：瓦壳内填充密度适宜的陶瓷纤维棉或烧结块。
10.一种由权利要求9所述的隔热瓦，其特征在于：瓦壳内铺设反光金属箔。
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