CN109822949B - 一种火箭用轻质夹芯结构长排罩的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种火箭用轻质夹芯结构长排罩的制备方法，通过选用适合火箭温度载荷要求的预浸料和泡沫，采用泡沫夹芯结构，利用铺层工艺、固化工艺实现长排罩的制备。本发明能够实现长排罩在满足使用条件的同时，较复合材料方案减重≥20％。
Description
技术领域
本发明是采用复合材料和泡沫芯材制作夹芯复合材料长排罩，是属于非金属材料领域。
背景技术
火箭在发射后的飞行阶段，安装在助推、芯一级、芯二级段壳体表面的电缆、导管及连接装置为了保证能在高温高压环境下维护系统信号的传输、燃料的供给及各系统正常运行，需要在以上线/管路外侧安装一套保护装置—即长排罩。它为火箭壳体外侧的电缆、导管等系统的正常运行提供了保障。长排罩通常由铝材质、玻璃钢或碳玻混杂复合材料制作。
近年来，泡沫夹层复合材料结构在运载火箭、航空、风力发电机叶片、体育运动器材、医用设备配件、船舶制造、列车机车等领域大量应用，尤其在美日等发达国家，广泛应用于高技术领域，主要有：美国的Delta运载火箭的整流罩，日本三菱的HII-A运载火箭的整流罩，日本新干线的火车头，通用、西门子等公司的医疗床板、Vestas的风力发电机叶片等。我国使用泡沫夹层复合材料在高端领域应用较晚，并且在航空航天应用的泡沫芯材大部分依赖进口，国内虽然在研制，但整体性能与国外同类产品仍存在一定差距。除了在航空航天等高端领域，在其它民用领域如高速列车机头、大型风力发电机叶片等，国外也应用较早，并大量使用。而国内相关领域，应用较晚，并且大部分项目为国外转包或仿造，因此所用的材料也大部分为国外材料，尤其是芯材主要为进口。目前，国内泡沫芯材复合材料结构主要应用在房屋隔板、冷藏车隔板等，起隔热保温作用；应用的泡沫芯材以聚氨酯(PU)泡沫为主。虽然我国泡沫夹层复合材料应用及研究与国外相比存在较大差距，但近年来，国内航空航天领域，如直升机桨叶、火箭整流罩、导弹易碎盖、发射筒筒盖、风洞用叶片也已应用该结构，发展迅速。
目前国内、外火箭用长排罩选用铝板冲压工艺较多。随着火箭推力载荷的提升，近年来也有采用碳玻混杂纤维树脂基复合材料制作长排罩替代原来的金属铝方案，其较后者可实现减重20～30％，成型效率也有相应的提升，例如我国新一代的CZ-7运载火箭的长排罩即采用了复合材料方案。CZ-5火箭为进一步挖掘其运载能力，对碳玻混杂纤维复合材料长排罩提出了减重需求，目标是在复合材料方案上降低20％以上。
发明内容
本发明的技术解决问题是：探索一种火箭用轻质夹芯结构长排罩的制备方法，实现长排罩在满足使用条件的同时，较复合材料方案减重≥20％。
本发明的技术解决方案是：一种火箭用轻质夹芯结构长排罩的制备方法，其特征在于：通过选用适合火箭温度载荷要求的预浸料和泡沫，采用泡沫夹芯结构，利用铺层工艺、固化工艺实现长排罩的制备。
优选的，所述铺层工艺中使用的模具的两个侧边与底边垂直基础上向外偏离一个修正角度，利用该修正角度补偿固化工艺后长排罩开口处的收缩量。
优选的，所述的修正角度1.2°-1.8°，针对180℃固化的树脂基复合材料长排罩修正角度优选为1.5°。
优选的，所述的模具采用蒙皮带筋框架结构，模具材质为金属或者复合材料；金属模具的贴膜面的表面粗糙度小于1.6，复合材料模具的贴膜面表面粗糙度小于0.8。
优选的，所述的预浸料包括树脂和增强体；所述树脂的玻璃化转变温度≥180℃，泡沫在温度为180℃时，压力为0.3～0.6MPa下热蠕变性≤1.5％。
优选的，所述铺层工艺中的蒙皮铺层采用碳布预浸料与玻璃布预浸料混杂铺层，或采用碳布预浸料与单向玻璃纤维预浸料混杂铺层，或采用单向碳纤维预浸料铺层；产品边缘位置补强采用玻璃布预浸料或单向碳纤维预浸料准各向同性铺层。
优选的，所述的铺层工艺通过下述方式实现：
(1)将裁剪好的第一层蒙皮用预浸料铺贴在模具铺层刻线框内，并采用抽真空的方法预压实预浸料，紧贴模具表面，然后铺放边缘加强预浸料及其他外蒙皮用预浸料；
(2)将外蒙皮最后一层预浸料树脂含量高的一侧向泡沫粘接侧，并与上一层预浸料贴实；或者将外蒙皮最后一层预浸料上粘贴胶膜，将胶膜与泡沫粘接，并与上一层预浸料贴实；
(3)将加工好的PMI泡沫芯材在预浸料上面进行定位、对接，并抽真空进行预压实；
(4)在泡沫上铺贴含胶量高的内蒙皮预浸料，确认树脂含量高的一侧与泡沫接触，并抽真空进行预压实；或者在泡沫上铺贴胶膜，之后在胶膜上粘接预浸料，并抽真空进行预压实；
(5)然后将剩余的内蒙皮预浸料按顺序铺层、预压实。
优选的，所述铺层工艺中蒙皮预浸料的铺层采用如下设计：
0°T300碳布/0°SW280玻璃布/0°SW280玻璃布；或
0°T300碳布/0°T300单向带/90°T300单向带/0°T300单向带/90°T300单向带；或
±45°T300单向带/0°T300单向带/90°T300单向带/0°T300单向带/90°T300单向带/；或
T700单向预浸料按±45°/0°/90°/0°/90°铺层。
优选的，所述步骤(1)中铺放边缘加强预浸料中的增强体是递减铺放的SW280玻璃布，或递减铺放的MT300-3K碳布，或递减铺放的T700准各向同性单向预浸料，其中在铺放过程中至少进行一次抽真空压实，并全部铺完时进行抽真空压实。
优选的，所述的泡沫由一块底板、两块侧板和两块拐角沿轴向对接而成；所述的轴向为长排罩的长度方向。
优选的，所述的固化工艺具体为：
将铺层工艺后的产品包覆真空袋后其袋内真空度≤-0.097MPa，放进热压罐加热固化，罐内升温速率控制在20～40℃/h，进罐固化压力控制在0.3～0.6MPa。
优选的，固化工艺后的产品按照产品与模具接触面留下的压痕进行切边、打孔，切边的尺寸精度控制在±0.5mm，打孔的尺寸精度控制在±0.2mm。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)通常长排罩是由铝板冲压(例如CZ-2、CZ-3系列)或复合材料蒙皮加筋结构(CZ-7系列)。复合材料蒙皮加筋结构较金属铝方案可实现减重≥20％以上，本发明中提出的利用轻质夹芯结构制备的长排罩可以在复合材料蒙皮加筋结构长排罩基础上重量再降低20％以上。
(2)发明人通过大量理论与实验研究表明，复合材料轻质夹芯结构长排罩蒙皮采用碳纤维准各向铺层或碳织物与玻璃布预浸料混杂铺层方案，实现了不增加制造成本的前提下，大幅度降低了结构重量，结构刚度提高50％以上，结构强度提高20％以上。
(3)长排罩模具采用金属蒙皮框架结构，保证不同尺寸结构产品进罐加热的均匀性；铺层工艺中使用的模具的两个侧边与底边垂直基础上向外偏离一个修正角度1.5°，抵消产品固化时由于热匹配系数差异导致的变形。
附图说明
图1为本发明一实例方法流程图；
图2、3、4分别为本发明三个实例长排罩的结构尺寸及模具截面设计示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-4及实例对本发明作详细说明。
本发明是根据长排罩结构图纸，选择合适的预浸料和PMI泡沫进行相应铺层和工艺设计，并对长排罩用模具进行抵消产品防变形结构设计；将预浸料按照相应的尺寸下料、PMI泡沫加工成平板和等厚度圆角；将裁剪好的第一层蒙皮用预浸料铺贴在模具铺层线框内，并采用抽真空的方法预压实预浸料，使其紧贴模具表面，然后根据要求铺放边缘加强预浸料及其他外蒙皮用预浸料；接着将外蒙皮最后一层预浸料含胶量高的一侧向上，并与上一层预浸料贴实；将加工好的PMI泡沫芯材在预浸料上面进行定位、对接，并抽真空预压实；在泡沫上铺贴含胶量高的内蒙皮预浸料，确认树脂含量高的一侧与泡沫接触，并抽真空进行预压实；然后将剩余的内蒙皮预浸料按顺序铺层、预压实；检查预压实产品，确认无误后在表面铺辅助材料、抽真空、进热压罐加压固化；产品固化后，按照产品与模具接触面留下的压痕进行切边、打孔。
实例1：
一种碳玻混杂织物夹芯复合材料长排罩制作方法，该方法中涉及的待制作长排罩的截面宽236mm，高180mm，长1292mm，高与宽边倒角100mm，中间夹芯PMI泡沫厚度4mm；该方法包括以下步骤：
(1)长排罩用模具根据产品抵消防变形公式，高向外开口与其理论位置的角度为1.5度进行加工设计。
(2)模具到位后对其进行表面处理并准备相应的MT300-3K碳布/603、SW280F/603预浸料及密度为110kg/m3的PMI泡沫；
(3)在PMI泡沫表面刷涂环氧603底胶，凉置不少于0.5h；
(4)将第一层外蒙皮T300-3K/603铺贴在模具上，室温抽真空压实，接着铺贴第二层外蒙皮SW280/603预浸料；
(5)将泡沫按照图纸位置安装贴合在外蒙皮上，室温抽真空压实，接着在翻边过渡区递减铺放12层SW280玻璃布，第6层和第12层室温抽真空压实。
(6)铺贴第一层内蒙皮SW280/603，室温抽真空压实，使其贴合在PMI泡沫上；接着铺贴第二层内蒙皮T300-3K/603；
(7)预浸料和PMI泡沫在模具上铺完层后，进行辅助材料包覆、密封、抽真空，当真空表压≤-0.097MPa后进热压罐固化；
(8)热压罐开始升温加压，升温速率控制在30℃/h，至180℃保温3h进行固化，固化压力为0.6MPa，固化结束后按照30℃/h的速率进行降温，至50℃出罐脱模。
(9)产品质量约(蒙皮加强筋方案重量约为3.7kg，泡沫夹层结构方案重量约为2.4kg)，抗内压可达101kPa，抗外压可达69kPa。较蒙皮加筋结构产品抗内压提高68％，抗外压提高15％，减重约35％。
实例2：
一种T700/603A夹芯复合材料长排罩制作方法，该方法中涉及的待制作长排罩的截面宽240mm，高128mm，长1003mm，高与宽边倒角100mm，中间夹芯PMI泡沫厚度4mm；该方法包括以下步骤：
(1)长排罩的铺层方案为{外蒙皮D(±45°/90°/0°)-PMI泡沫芯材(厚度4㎜)-加强区D(±45/90°/0°)6-内蒙皮D(0°/90°/±45°)}。其中，D为T700/603A碳纤维单向带预浸料；
(2)长排罩用模具根据产品抵消防变形公式，高向外开口与其理论位置的角度为1.5度进行加工设计。
(3)模具到位后对其进行表面处理并准备相应的T700/603A碳纤维单向带预浸料及密度为110kg/m3的PMI泡沫；
(4)PMI泡沫表面刷涂环氧底胶，凉置不少于0.5h；
(5)将第一层外蒙皮T700/603A碳纤维单向带预浸料按45°铺贴在模具上，室温抽真空压实，接着铺贴-45°/90°/0°剩余外蒙皮T700/603A碳纤维单向带预浸料，室温抽真空压实；
(6)将泡沫按照图纸位置安装贴合在外蒙皮上，室温抽真空压实，接着在泡沫边缘向外过渡区按(±45°/0°/90°/0°/-45°/﹢45°)4递减铺放28层T700/603A碳纤维单向带预浸料，第14层和第28层室温抽真空压实。
(7)铺贴第一层内蒙皮T700/603A碳纤维单向带预浸料按0°铺贴在模具上，室温抽真空压实，使其贴合在PMI泡沫上，接着铺贴90°/-45°/45°剩余内蒙皮T700/603A碳纤维单向带预浸料，室温抽真空压实；
(8)预浸料和PMI泡沫在模具上铺完层后，进行辅助材料包覆、密封、抽真空，当真空表压≤-0.097MPa后进热压罐固化；
(9)热压罐开始升温加压，升温速率控制在30℃/h，至180℃保温3h进行固化，固化压力为0.6MPa，固化结束后按照30℃/h的速率进行降温，至50℃出罐脱模。
(10)产品质量约(蒙皮加强筋方案重量约为2.3kg，泡沫夹层结构方案重量约为1.6kg)，抗内压可达100kPa，抗外压可达71kPa。较蒙皮加筋结构产品抗内压提高67％，抗外压提高18％，减重约30％。
实例3：
一种MT300/603纤维及织物夹芯复合材料长排罩制作方法，该方法中涉及的待制作长排罩的截面宽236mm，高180mm，长1292mm，高与宽边倒角100mm，中间夹芯PMI泡沫厚度5mm；该方法包括以下步骤：
(1)长排罩铺层方案为{外蒙皮(MT300/603碳布)/D(90°/0°)-PMI泡沫芯材(厚度5㎜)-加强区(MT300/603碳布)12-内蒙皮D(0°/90°)/(MT300/603碳布)}；其中，D为MT300/603碳纤维单向带预浸料；
(2)长排罩用模具根据产品抵消防变形公式，高向外开口与其理论位置的角度为1.5度进行加工设计。
(3)模具到位后对其进行表面处理并准备相应的MT300-3K碳布/603、MT300/603单向预浸料及密度为75kg/m3的PMI泡沫；
(4)在PMI泡沫表面刷涂环氧603底胶，凉置不少于0.5h；
(5)将第一层外蒙皮MT300-3K碳布/603铺贴在模具上，室温抽真空压实，接着铺贴90°和0°MT300/603单向预浸料；
(6)将泡沫按照图纸位置安装贴合在外蒙皮上，室温抽真空压实，接着在翻边过渡区递减铺放12层MT300碳布/603预浸料，第6层和第12层室温抽真空压实。
(7)铺贴第一层内蒙皮0°MT300/603，室温抽真空压实，使其贴合在PMI泡沫上；接着铺贴剩余的90°MT300/603和MT300碳布/603
(8)预浸料和PMI泡沫在模具上铺完层后，进行辅助材料包覆、密封、抽真空，当真空表压≤-0.097MPa后进热压罐固化；
(9)热压罐开始升温加压，升温速率控制在30℃/h，至180℃保温3h进行固化，固化压力为0.3MPa，固化结束后按照30℃/h的速率进行降温，至50℃出罐脱模。
(10)产品质量约(蒙皮加强筋方案重量约为3.7kg，泡沫夹层结构方案重量约为2.5kg)，抗内压可达109kPa，抗外压可达72kPa。较蒙皮加筋结构产品抗内压提高82％，抗外压提高20％，减重约32％。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (6)
1.一种火箭用轻质夹芯结构长排罩的制备方法，其特征在于：通过选用适合火箭温度载荷要求的预浸料和泡沫，采用泡沫夹芯结构，利用铺层工艺、固化工艺实现长排罩的制备；所述的泡沫由一块底板、两块侧板和两块拐角沿轴向对接而成；所述的轴向为长排罩的长度方向；
所述的铺层工艺通过下述方式实现：
(1)将裁剪好的第一层蒙皮用预浸料铺贴在模具铺层刻线框内，并采用抽真空的方法预压实预浸料，紧贴模具表面，然后铺放边缘加强预浸料及其他外蒙皮用预浸料；
(2)将外蒙皮最后一层预浸料树脂含量高的一侧向泡沫粘接侧，并与上一层预浸料贴实；或者将外蒙皮最后一层预浸料上粘贴胶膜，将胶膜与泡沫粘接，并与上一层预浸料贴实；
(3)将加工好的PMI泡沫芯材在预浸料上面进行定位、对接，并抽真空进行预压实；
(4)在泡沫上铺贴含胶量高的内蒙皮预浸料，确认树脂含量高的一侧与泡沫接触，并抽真空进行预压实；或者在泡沫上铺贴胶膜，之后在胶膜上粘接预浸料，并抽真空进行预压实；
(5)然后将剩余的内蒙皮预浸料按顺序铺层、预压实；
所述铺层工艺中使用的模具的两个侧边与底边垂直基础上向外偏离一个修正角度，利用该修正角度补偿固化工艺后长排罩开口处的收缩量；所述的修正角度1.2°-1.8°；所述的模具采用蒙皮带筋框架结构，模具材质为金属或者复合材料；金属模具的贴膜面的表面粗糙度小于1.6，复合材料模具的贴膜面表面粗糙度小于0.8；
所述铺层工艺中蒙皮预浸料的铺层采用如下设计：
0°T300碳布/0°SW280玻璃布/0°SW280玻璃布；或
0°T300碳布/0°T300单向带/90°T300单向带/0°T300单向带/90°T300单向带；或
±45°T300单向带/0°T300单向带/90°T300单向带/0°T300单向带/90°T300单向带/；或
T700单向预浸料按±45°/0°/90°/0°/90°铺层；
所述步骤(1)中铺放边缘加强预浸料中的增强体是递减铺放的SW280玻璃布，或递减铺放的MT300-3K碳布，或递减铺放的T700准各向同性单向预浸料，其中在铺放过程中至少进行一次抽真空压实，并全部铺完时进行抽真空压实。
2.根据权利要求1所述的一种火箭用轻质夹芯结构长排罩的制备方法，其特征在于：针对180℃固化的树脂基复合材料长排罩修正角度为1.5°。
3.根据权利要求1所述的一种火箭用轻质夹芯结构长排罩的制备方法，其特征在于：所述的预浸料包括树脂和增强体；所述树脂的玻璃化转变温度≥180℃，泡沫在温度为180℃时，压力为0.3～0.6MPa下热蠕变性≤1.5％。
4.根据权利要求1所述的一种火箭用轻质夹芯结构长排罩的制备方法，其特征在于：所述铺层工艺中的蒙皮铺层采用碳布预浸料与玻璃布预浸料混杂铺层，或采用碳布预浸料与单向玻璃纤维预浸料混杂铺层，或采用单向碳纤维预浸料铺层；产品边缘位置补强采用玻璃布预浸料或单向碳纤维预浸料准各向同性铺层。
5.根据权利要求1所述的一种火箭用轻质夹芯结构长排罩的制备方法，其特征在于所述的固化工艺具体为：
将铺层工艺后的产品包覆真空袋后其袋内真空度≤-0.097MPa，放进热压罐加热固化，罐内升温速率控制在20～40℃/h，进罐固化压力控制在0.3～0.6MPa。
6.根据权利要求1所述的一种火箭用轻质夹芯结构长排罩的制备方法，其特征在于：固化工艺后的产品按照产品与模具接触面留下的压痕进行切边、打孔，切边的尺寸精度控制在±0.5mm，打孔的尺寸精度控制在±0.2mm。
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