CN108995243A - 一种变锥度防热层的缠绕成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变锥度防热层的缠绕成型方法，属于复合材料成型技术领域。本发明根据产品结构尺寸设计模具外形尺寸；根据产品每个锥段的角度和防热层厚度，制定大端缠绕角度和各个锥段的布带宽度；将单个锥段内当做单锥角进行倾斜缠绕，在缠绕至下个锥段前的5‑20mm范围内，更换下个锥段的缠绕布带，进行过渡；最后，对整个产品毛坯进行隔离材料的包扎、固化成型，经冷却后脱模得到多锥段防热产品。该产品具有良好的整体性和抗烧蚀性能。

Description

一种变锥度防热层的缠绕成型方法

技术领域

本发明涉及一种变锥度防热层的缠绕成型方法，属于复合材料成型技术领域。

背景技术

航天飞行器在飞行过程中会经历复杂的气动环境，外部温度能达到1000-2000℃，甚至更高，为保证飞行器内部仪器设备的正常使用，在金属壳体的外部均有烧蚀材料层。烧蚀材料在热流作用下，发生分解、熔化、蒸发、升华等多种物理化学变化，通过材料本身的质量消耗带走大量热量，从而起到防隔热的作用，其具有防热效率高和工作可靠等优点，是航天器最为常用，且应用范围很广的热防护材料。

航天飞行器一般由多个部段组成，为满足其气动要求，其外表面多为锥形结构，且局部存在锥角突变。防热层位于航天飞行器的外表面，形状与金属壳体外表面需一致。为实现锥角突变的要求，通常情况下采用成型为单锥角结构再加工为多锥角形状的方式，或采用成型为不同锥角的单锥角结构再对接的方式，或利用阴阳组合模具进行模压成型的方式。在以上方案中，加工方案会造成原材料的浪费；对接方案会增加生产工序，延长生产周期；模压方案中模具成本高，锥角突变处易缺料，且不适用于薄壁结构。本发明针对整体成型变锥度薄壁防热层的要求，采用改变缠绕角、保持布层平行的布带倾斜缠绕成型方式制备变锥度防热层。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种变锥度防热层的缠绕成型方法，该方法针对薄壁防热层的圆滑变锥度要求，在不同锥度段采用不同宽度和缠绕角度的预浸布带进行倾斜缠绕一次成型工艺，制备整体变锥度防热层。

本发明的技术解决方案是：

一种变锥度防热层的缠绕成型方法，该方法的步骤包括：

(1)制备变锥度防热层的成型阳模；

所述的成型阳模拐角处的外径计算方式为：

成型阳模拐角处的外径＝变锥度防热层小端内径最大值+变锥度防热层小端锥段长度最大值×变锥度防热层小端锥段角度中值的正切值×2；

成型阳模的角度为变锥度防热层每锥段角度的设计中值；

(2)采用倾斜缠绕方法在步骤(1)制备的成型阳模表面进行布带缠绕，得到变锥度防热层的毛坯件；

设定变锥度防热层包括两个锥度，外径小的一端称为小端，且小端锥角为α，小端缠绕厚度为δ₁；外径大的一端称为大端，且大端锥角为β，大端缠绕厚度为δ₂。

进行布带缠绕时，涉及布宽L和缠绕角θ两个参数的确定，小端布宽为L₁，小端缠绕角为θ₁，大端布宽为L₂，大端缠绕角为θ₂。布宽需满足：L₁＝δ₁/sinθ₁，L₂＝δ₂/sinθ₂；为实现布层平行，缠绕角需满足：α+θ₁＝β+θ₂，且θ₁和θ₂均不宜过大，并根据防热层使用要求进行限定，比如防热层要求具有优异的抗气流冲刷性能时，θ₁和θ₂宜在10°-30°范围内，防热层要求具有优异的力学性能时，θ₁和θ₂宜在5°-20°范围内。

设变锥度防热层的小端锥角为α，缠绕角为θ₁，厚度要求为δ₁；大端锥角为β，缠绕角为θ₂，厚度要求为δ₂，需满足α+θ₁＝β+θ₂；小端布宽为L₁，L₁＝δ₁/sinθ₁，大端布宽为L₂，L₂＝δ₂/sinθ₂；并在大端末端前5-20mm的位置采用布宽为L₁的布带，形成平滑过渡；

当变锥度防热层的小端锥角α≥8°时，预浸布树脂含量为33％-37％，缠绕线速度为2-5m/min，缠绕温度为80-120℃；

当变锥度防热层的小端锥角α＜8°时，预浸布树脂含量为36％-40％，缠绕线速度为2-10m/min，缠绕温度为80-120℃；

当变锥度防热层的大端锥角β≥8°时，预浸布树脂含量为33％-37％，缠绕线速度为2-5m/min，缠绕温度为80-120℃；

当变锥度防热层的大端锥角β＜8°时，预浸布树脂含量为36％-40％，缠绕线速度为2-10m/min，缠绕温度为80-120℃；

在保证布带不断且变窄率较低情况下缠绕张力尽量大。

(3)将步骤(2)得到的变锥度防热层的毛坯件先进行包扎然后再进行固化成型；

包扎时采用隔离材料进行包扎，隔离材料贴紧毛坯件表面，毛坯件小端隔离材料无打褶，毛坯件大端的隔离材料打褶方向为毛坯件周向方向，包扎完毕时毛坯件母向方向隔离材料贴敷在毛坯表面且无褶皱；

固化成型时，从室温至树脂的凝胶点区间的升温速率为13-16℃/h，加压温度为树脂的凝胶点+0～10℃，保温温度为树脂的固化温度。

(4)车加工毛坯外表面，脱模后得到变锥度防热层。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的变锥度防热层的倾斜缠绕成型方法，能够实现多锥度回转体薄壁结构的防热层的制造，并具有良好的整体性、均匀性和工艺实现性，能够满足多种航天飞行器的热防护需求。同时，该成型方法具有较高的连续生产性和生产效率，适于批生产模式，具有良好的应用前景。

(2)提供一种变锥度防热层的大缠绕角倾斜缠绕成型方法，可制备多锥段回转体防热产品。首先，为保证套装间隙适中，避免后续与变锥度金属壳体装配时产生干涉问题，根据产品结构尺寸设计模具外形尺寸；其次，根据产品每个锥段的角度和防热层厚度，制定大端缠绕角度和各个锥段的布带宽度；再次，将单个锥段内当做单锥角进行倾斜缠绕，在缠绕至下个锥段前的5-20mm范围内，更换下个锥段的缠绕布带，进行过渡；最后，对整个产品毛坯进行隔离材料的包扎、固化成型，经冷却后脱模得到多锥段防热产品。该产品具有良好的整体性和抗烧蚀性能。

(3)双锥的布层与母线的角度不同，但两段布层与轴线的角度相同，即布层为平行排列，不会出现布层角度不同造成的孔隙、分层等问题，成型质量优异。为达到厚度要求，采用预浸布的宽度不同，并在大端末端提前采用布宽为L₁的布带，形成平滑过渡。

(4)变锥度结构中某一段锥角较大时防热层表面易出现褶皱，而通过控制缠绕参数和固化参数可以有效的缓解大锥角倾斜缠绕导致的布层褶皱。缠绕参数的设定，预浸布树脂含量为33％-37％(锥角≥8°)或36％-40％(锥角＜8°)；缠绕线速度为2-5m/min(锥角≥8°)或2-10m/min(锥角＜8°)，缠绕温度为80-120℃。固化成型时，从室温至树脂的凝胶点区间的升温速率为13-16℃/h，加压温度为树脂的凝胶点+0～10℃，保温温度为树脂的固化温度。

(5)一种变锥度防热层的缠绕成型方法，包括如下步骤：(1)考虑装配关系的产品模具设计；(2)多锥产品缠绕参数计算；(3)大锥角产品倾斜缠绕浸胶、缠绕和固化工艺参数的制定。

(6)一种变锥度防热层的大缠绕角倾斜缠绕成型方法，包括以下步骤：采用多锥度模具整体倾斜缠绕成型；根据产品大小锥段的厚度要求和结构特点，在各锥段采用不同缠绕角、不同布带宽度、布层间相互平行的缠绕方式；为避免大锥角段产品出现褶皱现象，采用较低树脂含量预浸布、提高缠绕毛坯预固化度、固化打压点控制和隔离材料随形紧密包扎的成型方式。

产品为多锥度回转体结构，锥度范围为3-20°；考虑后续的装配关系，避免产品与金属壳体产生干涉现象，同时保证套装间隙适中，模具锥角为产品角度的设计中值，模具拐角处的外径＝产品某锥段小端内径最大值+该锥段长度最大值×该锥段角度中值的正切值×2；在多锥度模具表面进行整体倾斜缠绕成型，每个锥段的布层与轴线夹角相同、与模具母线夹角(缠绕角)不同，为达到厚度要求，布带宽度不同；锥度变化处采用提前换布的方式进行平滑过渡。

为控制大锥角位置的缠绕质量，减少或消除褶皱，预浸布树脂含量为35±2％；缠绕线速度为2-5m/min，缠绕温度为80-120℃，在保证布带不断且变窄率较低情况下缠绕张力尽量大；固化方式包含热压罐固化、热压釜固化、抽真空固化，固化时升温至凝胶点区间的升温速率以13-16℃/h为宜，打压温度以凝胶点+0～5℃为宜；隔离材料为贴紧产品表面包扎，产品小端保证隔离材料无打褶，大端的隔离材料打褶方向为产品周向方向，包扎完毕时产品母向方向隔离材料贴敷在毛坯表面且无褶皱。

所用的原材料为纤维布浸渍树脂后的预浸料，纤维布是玻璃纤维布、高硅氧玻璃纤维布、高强玻璃纤维布、石英玻璃纤维布、有机纤维布、有机无机混编纤维布，树脂基体为酚醛树脂。

材料密度为1.4-2.0g/cm³，拉伸强度≥15MPa，压缩强度≥50MPa，超声探伤无缺陷、分层，线烧蚀速率≤0.2mm/s，拐角处及其周边无驻点剥蚀、分层、开裂等。

附图说明

图1为双锥产品布层示意图；

图2为双锥回转体结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1和图2所示，该产品为双锥角回转体结构，产品总长为400mm，小端直径为长度为锥角为大端锥角为厚度要求20mm，材料采用高硅氧/酚醛材料体系，模具设计锥角分别为16°和4°产品区范围内，模具小端直径为399.8mm，拐角处的模具直径为400+200×tan16°×2＝514.70mm，模具大端直径为514.70+200×tan4°×2＝542.67mm；考虑小端的气流冲刷更严重，设计小端缠绕角为15°，则大端缠绕角为15+16-4＝27°，小端理论布宽为20/sin15°≈80mm，大端的理论布宽为20/sin27°≈44mm，考虑车加工余量和布带收缩量，小端的实际布宽为120mm，大端的实际布宽为80mm。预浸布树脂含量分别为35％(小端)和40％(大端)；缠绕线速度分别为2-5m/min(小端)或7-10m/min(大端)，缠绕温度为80-120℃，缠绕张力为40-100N。在抽真空的条件下，升温速率为14℃/h，升至100℃加压1.5MPa，固化温度为150℃，固化时间7h。制备的产品经超声探伤检测与产品截面解剖观察，未发现产品任何空隙、分层等缺陷，拐角处及其周边在2300℃冲刷45s后未出现驻点剥蚀、分层、开裂等问题。

实施例的材料性能如表1所示。

表1双锥回转体产品性能数据

技术参数	实施例	测试方法
			密度(g/cm3)	1.68	GB/T1463
拉伸强度(MPa)	25.4	GB/T1447
			断裂伸长率(％)	0.61	GB/T1447
压缩强度(MPa)	150	GB/T1448-2005
			线烧蚀速率(mm/s)	0.072	GJB1594-93
超声探伤	未发现缺陷	GJB1038.1-90

Claims (10)

1.一种变锥度防热层的缠绕成型方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)制备变锥度防热层的成型阳模；

(2)采用倾斜缠绕方法在步骤(1)制备的成型阳模表面进行布带缠绕，得到变锥度防热层的毛坯件；

(3)将步骤(2)得到的变锥度防热层的毛坯件先进行包扎然后再进行固化成型；

(4)车加工毛坯外表面，脱模后得到变锥度防热层。

2.根据权利要求1所述的一种变锥度防热层的缠绕成型方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，成型阳模拐角处的外径确定方法为：

成型阳模拐角处的外径＝变锥度防热层小端内径最大值+变锥度防热层小端锥段长度最大值×变锥度防热层小端锥段角度中值的正切值×2。

3.根据权利要求1所述的一种变锥度防热层的缠绕成型方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，成型阳模的角度为变锥度防热层每锥段角度的设计中值。

4.根据权利要求1所述的一种变锥度防热层的缠绕成型方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，设定变锥度防热层包括两个锥度，外径小的一端称为小端，且小端锥角为α，小端缠绕厚度为δ₁；外径大的一端称为大端，且大端锥角为β，大端缠绕厚度为δ₂；

进行布带缠绕时，小端布宽为L₁，缠绕角度为θ₁，大端布宽为L₂，大端缠绕角度为θ₂；

则：L₁＝δ₁/sinθ₁，L₂＝δ₂/sinθ₂，且α+θ₁＝β+θ₂；θ₁的取值范围为5°-30°，θ₂的取值范围为5°-30°。

5.根据权利要求4所述的一种变锥度防热层的缠绕成型方法，其特征在于：在大端末端前5-20mm的位置采用布宽为L₁的布带，形成平滑过渡。

6.根据权利要求1所述的一种变锥度防热层的缠绕成型方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，进行布带缠绕时，当变锥度防热层的小端锥角α≥8°时，预浸布树脂含量为33％-37％，缠绕线速度为2-5m/min，缠绕温度为80-120℃。

7.根据权利要求1所述的一种变锥度防热层的缠绕成型方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，进行布带缠绕时，当变锥度防热层的小端锥角α＜8°时，预浸布树脂含量为36％-40％，缠绕线速度为2-10m/min，缠绕温度为80-120℃。

8.根据权利要求1所述的一种变锥度防热层的缠绕成型方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，进行布带缠绕时，当变锥度防热层的大端锥角β≥8°时，预浸布树脂含量为33％-37％，缠绕线速度为2-5m/min，缠绕温度为80-120℃。

9.根据权利要求1所述的一种变锥度防热层的缠绕成型方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，进行布带缠绕时，当变锥度防热层的大端锥角β＜8°时，预浸布树脂含量为36％-40％，缠绕线速度为2-10m/min，缠绕温度为80-120℃。

10.根据权利要求1所述的一种变锥度防热层的缠绕成型方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，包扎时采用隔离材料进行包扎，隔离材料贴紧毛坯件表面，毛坯件小端隔离材料无打褶，毛坯件大端的隔离材料打褶方向为毛坯件周向方向，包扎完毕时毛坯件母向方向隔离材料贴敷在毛坯表面且无褶皱；

固化成型时，从室温至树脂的凝胶点区间的升温速率为13-16℃/h，加压温度为树脂的凝胶点+0～10℃，保温温度为树脂的固化温度。