CN110027141B - 大尺寸曲面回转体防隔热材料成型温度控制装置及方法 - Google Patents

大尺寸曲面回转体防隔热材料成型温度控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大尺寸曲面回转体防隔热材料成型温度控制装置及方法,当加热或干燥过程中出现气体参数超过设定范围时,开启均匀布置的四路进气口通入惰性气体,打开真空系统进行抽气,直至气体参数正常;监测的温度超过设定阈值后,开启对称设置两路预案进气口,通入低于室温的惰性气体实现隔氧降温;本发明解决了大尺寸、曲面回转体结构的防隔热材料整体成型的高温异常控制问题,避免了树脂爆聚反应和树脂高温失效、树脂温度异常反应失败的。控制技术操作简单,参数可控,易于实现。

Description

大尺寸曲面回转体防隔热材料成型温度控制装置及方法
技术领域
本发明属于以低密度三维纤维结构为增强相的低密度防隔热材料成型方法,涉及针对大尺寸、曲面回转结构防隔热材料温度控制装置及方法,属于热防护领域。
背景技术
返回式飞船在返回再入过程,需经历高热流冲刷,返回飞行器外表面的热防护系统至关重要。随着深空探测技术的不断发展,返回式飞船对热防护系统轻量化、表面结构稳定性和完整性要求更高。大尺寸、复杂构型的防隔热材料整体成型是热防护系统发展的一个趋势。防隔热材料性能的典型特征是热传导能力弱,比热容系数高,而材料制备过程存在高温加热促进基体材料凝胶、固化反应。大尺寸整体成型防隔热材料的加热时长更长,而材料的低热导率、高比热容造成材料内部散热更慢,可能造成树脂反应过程发生爆聚;或造成局部聚热,形成高温,导致树脂失效或树脂反应失效。同时,大曲率回转结构构型更不利于热量流动。
综合以上分析,防隔热材料整体成型要解决的关键问题之一是整体成型过程中由于隔热性能、长时间加热、构型特点带来的爆聚风险和树脂失效风险。大尺寸、曲面回转结构的防隔热材料整体成型过程中如何进行温度控是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种大尺寸曲面回转体防隔热材料成型温度控制装置及方法,可严格控制产品研制过程的温度场,避免产品失效风险。
本发明目的通过如下技术方案予以实现:
提供一种大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置,包括惰性气体生成装置、成型工装、真空系统、气体参数监控设备以及温度监控设备;
成型工装为密封腔体,内部设置用于承托防隔热材料的托盘;在成型工装底部沿周向均匀布置四路进气口,用于通入与内部防隔热材料成型过程树脂反应温度相同的惰性气体;在成型工装底部避开四路进气口,沿周向对称设置两路预案进气口,用于通入低于室温的惰性气体,发生过温时进行降温;成型工装上表面中部设置出气口;
惰性气体生成装置,分两路输出,一路输出管路安装加热设备,然后与均匀布置的四路进气口连接;另一路连接对称设置两路预案进气口;
出气口与真空系统连接,之间安装气体参数监控设备监控气体参数包括气体压力、流速或反应生成物含量;
温度监控设备用于监控成型工装内防隔热材料的温度。
优选的,成型工装的密封腔体内预制固定热电偶的金属槽腔,使得热电偶的测温点靠近防隔热材料表面。
优选的,按照防隔热材料的高度尺寸设置覆盖纵向距离的测温点,按照周向尺寸,沿周向均布测温点;测温点距离制件表面的间距不大于30mm,不小于5mm。
优选的,大尺寸曲面回转体防隔热材料热流最集中、温度最先到达高温值的位置作为报警监测温点,报警监测温点的温度超过设定阈值后,开启对称设置两路预案进气口,通入低于室温的惰性气体。
优选的,所述惰性气体为氩气或氦气。
优选的,在开始加热前出气口阀门打开,真空系统阀门开启,成型工装内部抽真空,然后真空系统关闭;当加热过程中出现气体参数超过设定范围时,开启均匀布置四路进气口通入惰性气体,打开真空系统进行抽气,直至气体参数正常时,关闭四路进气口,关闭真空系统。
优选的,气体参数范围为:气体压力的设定范围为0.008~0.05MPa;气体流速的设定范围为正速度值;反应生成物含量设定范围为含量值存在波动。
优选的,托盘采用镂空结构,防隔热材料被覆盖面不大于外表面30%区域。
同时提供一种利用所述大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置进行温度控制方法,步骤如下:
步骤1:将出气口与真空系统连接,在出气口与真空系统连接之间安装气体参数监控设备;惰性气体生成装置一路输出管路安装加热设备,然后与均匀布置四路进气口连接;另一路连接对称设置两路预案进气口;
步骤2:真空系统开启,出气口阀门打开,抽真空;抽真空后真空系统关闭,维持真空环境;
步骤3:防隔热材料开始加热或开始干燥,加热或干燥过程中生成气体;
当加热或干燥过程中出现气体参数超过设定范围时,开启均匀布置四路进气口通入惰性气体,打开真空系统进行抽气,直至气体参数正常时,关闭四路进气口,关闭真空系统;
报警监测温点监测的温度超过设定阈值后,开启对称设置两路预案进气口,通入低于室温的惰性气体,直至报警监测温点的温度满足阈值要求;
步骤4、反应结束后,自然冷却至室温,断开出气口和进气口的连接,取出防隔热材料。
优选的,温度阈值为(T2-T1)p+T1,其中T1为所用树脂的凝胶反应温度或溶剂干燥温度;T2为所用树脂的裂解温度,p选取10%~60%。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
(1)本发明解决了大尺寸、曲面回转体结构的防隔热材料整体成型的高温异常控制问题,避免了树脂爆聚反应和树脂高温失效、树脂温度异常反应失败的。
(2)本发明控制技术操作简单,参数可控,易于实现。
(3)本发明所用惰性气体对环境无污染,避免了环境污染,满足绿色环保要求。
(4)本发明采用温度最高点作为报警监测温点,进行加热过程的全方位监控,能够及时发现加热过程中的温度异常,温度控制精度高。
(5)本发明设置加热氮气进行气流控制,避免影响加热过程中的反应或干燥温度,最大限度降低对产品的影响;在温度过高情况下通入低温氮气,在隔氧的同时进行降温,最大程度降低产品损失。采用同一气源实现两种工况,降低了研制成本。
附图说明
图1实施例1防隔热制件产品构型示意图,其中(a)为侧向图,(b)为俯视图;(c)为主视图;
图2实施例1成型工装剖视图;
图3实施例1进气口通路设计示意图。
具体实施方式
本发明采用真空系统和惰性气体生成装置,确保大尺寸、曲面回转结构防隔热材料加热制备过程中热量持续流动,避免了热量堆积造成爆聚及局部高温风险。同时通过制件表面温度检测控制,及时发现温度异常情况,采取惰性气体降温防护的预防措施,提高了大尺寸、曲面回转结构整体成型的安全性。适用于大尺寸、曲面回转体结构的防隔热材料在封闭腔体内进行长时间加热的过程。
大尺寸曲面回转结构是指转轴高度不小于0.5m,最大截面半径不小于0.3m的曲面回转结构。
大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置,包括惰性气体生成装置、成型工装、真空系统、气体参数监控设备以及温度监控设备。
成型工装为密封腔体,内部设置用于承托防隔热材料的托盘,所述托盘结构按照所需制备的产品结构外表面(凸面或平板的一面)型面尺寸,设计净尺寸、镂空、耐200℃以上高温的工装。根据防隔热材料制件尺寸,设计气流通路。所述气流通路指代防隔热制件内外表面均有空间可实现散热,热量流动路径不能在防隔热制件表面形成堆积。具体包括防隔热材料制件各外型面的30%以上表面无密闭遮挡物,制件50%以上外表面不允许有密闭遮挡物。防隔热材料制件外表面与容腔侧壁非接触面的间距要求大于10mm以上。防隔热材料制件所用封闭容腔需具备进气口、出气口,进出气口位置要求最大程度保证气流可冲刷容腔内放置的防隔热制件内外表面。
首先,在成型工装底部安装六路进气口,在上模盖板中间安装一路出气口。六路进气口分布如下:在成型工装底部沿周向均匀延伸布置四路进气口,用于通入与内部防隔热材料成型过程树脂反应温度相同的惰性气体;在成型工装底部避开四路进气口,沿周向对称延伸两路预案进气口,用于通入低于室温(小于25℃)的惰性气体,发生过温时进行降温,参见图3;成型工装上表面中部设置出气口。
所述惰性气体生成装置指代能提供惰性气体的设备或压力容器,并具备将输入制件容腔内的惰性气体进行加热,实现温度控制功能;惰性气体生成装置,分两路输出,一路输出管路安装加热设备,然后与均匀延伸布置四路进气口连接;另一路连接对称设置两路预案进气口;
出气口与真空系统连接,之间安装气体参数监控设备监控气体参数包括气体压力、流速或反应生成物含量;所述真空系统指代可持续对封闭容腔提供真空抽气的设备,同时对排放的挥发溶液蒸汽具备回收功能;所述监控参数包括能反映封闭容腔真空度的参数指标,包括但不局限于压力、流速、反应生成物含量或溶液排放量等;
温度监控设备用于监控成型工装内防隔热材料的温度。依据防隔热材料之间的设计模型确定制件在工装容腔内部的具体位置,按照固定间隙值在工装内增设金属测温点,按照制件的高度尺寸安排上、中、下测温点,按照周向尺寸,安排前、后、左、右测温点位置;所述固定间隙值指金属测温点距离制件表面的间距尺寸,要求不大于30mm,不小于5mm;所述金属测温点指在封闭容腔内预制的固定热电偶的金属槽腔。既满足工装设计的整体性、功能的密闭性,又借助金属传热能力准确反馈防隔热材料表面温度值。
所述防隔热材料包括以酚醛、有机硅树脂为基体的轻质多孔防隔热材料;所述大尺寸曲面回转结构包括表面积大于2㎡的具备中心转轴的曲面回转结构。
在一个实施例中,防隔热材料采用加筋托盘支撑,加筋托盘采用镂空结构,防隔热材料被覆盖面不大于制件外表面30%区域,制件在工装内放置形式如图2所示,制件与工装腔间距大于30mm。
进行温度控制方法流程如下:
步骤1:成型工装出气口与回收系统连接,中间穿接压力表;进气口连接制氮机,制氮机分两路输出,一路输出管路安装加热设备,然后与均布的四路进气口连接;将气流通路的出气口与真空系统连接,在出气口与真空系统连接之间安装参数监控设备。
步骤2:真空系统启动,出气口打开,抽真空;真空系统关闭,维持真空环境;
步骤3:在安排的金属测温点中选取关键控制点的温度作为报警监测温度;所述关键控制点指按照大尺寸、曲面回转防隔热材料制件构型特点,热流最集中、温度最先到达高温值的位置,一般为曲面凹面最低点,但不局限于该点。按照树脂凝胶反应温度设置报警温度;所述报警温度指在所用树脂的凝胶反应温度(或溶剂干燥温度)T1与所用树脂的裂解温度T2范围内按照10%~60%的比例p选取的控制温度,则报警温度为(T2-T1)p+T1
防隔热材料制件开始加热或干燥,反应过程中生成气体,监控压力参数,出现压力异常(超过零限),则开启均匀延伸布置四路进气口通入惰性气体,启动真空系统,进行抽气,调节压力;压力达到预设值时,关闭四路进气口,关闭真空系统。
如果出现温度报警,则打开不加热的惰性气体放置容器阀门和输入接口阀门,启动预案。
步骤4、反应结束后,自然冷却至室温,断开出气口和进气口的连接,取出防隔热材料。
实施例1:
在制备厚度60mm,面内面积大于6㎡的大尺寸、半球面回转结构的酚醛纳米多孔防隔热材料(图1)时,首先,在成型工装底部安装六路进气口,在上模盖板中间安装一路出气口。制件采用加筋托盘支撑,制件被覆盖面不大于制件外表面30%区域,制件在工装内放置形式如图2所示,制件与工装腔间距大于30mm。成型工装出气口与回收系统连接,中间穿接压力表;进气口连接制氮机,制氮机分两路输出,一路输出管路安装加热设备,然后与均布的四路进气口连接;一路输出管路直接与对称的两路进气口连接。防隔热制件进行酚醛凝胶反应,持续加热180℃,保温24h,监控压力设定值,一旦压力高于设定值,开启四路进气口和真空系统,保证压力值固定。如果出现温度报警,打开预案进气口,通入低于室温的氮气进行降温。报警监控温度设定为200℃,制备过程未启动氮气降温防护预案。
在该实施例中采用氮气进行隔氧和降温,本领域技术人员能够理解,其他惰性气体,如氩气、氦气或二氧化碳均可作为替换气体,用于成型过程中隔氧和降温。
以上所述,仅为本发明最佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置,其特征在于,包括惰性气体生成装置、成型工装、真空系统、气体参数监控设备以及温度监控设备;
成型工装为密封腔体,内部设置用于承托防隔热材料的托盘;在成型工装底部沿周向均匀布置四路进气口,用于通入与内部防隔热材料成型过程树脂反应温度相同的惰性气体;在成型工装底部避开四路进气口,沿周向对称设置两路预案进气口,用于通入低于室温的惰性气体,发生过温时进行隔氧降温;成型工装上表面中部设置出气口;
惰性气体生成装置,分两路输出,一路输出管路安装加热设备,然后与均匀布置的四路进气口连接;另一路连接对称设置两路预案进气口;
出气口与真空系统连接,之间安装气体参数监控设备监控气体参数包括气体压力、流速或反应生成物含量;
温度监控设备用于监控成型工装内防隔热材料加热过程的温度情况。
2.如权利要求1所述的大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置,其特征在于,成型工装的密封腔体内预制固定热电偶的金属槽腔,使得热电偶的测温点靠近防隔热材料表面。
3.如权利要求2所述的大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置,其特征在于,按照防隔热材料的高度尺寸和周向尺寸,设置覆盖纵向距离和周向的测温点;测温点距离制件表面的间距不大于30mm,不小于5mm。
4.如权利要求2所述的大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置,其特征在于,大尺寸曲面回转体防隔热材料热流最集中、温度最先到达高温值的位置作为报警监测温点,报警监测温点的温度超过设定阈值后,开启对称设置两路预案进气口,通入低于室温的惰性气体。
5.如权利要求1所述的大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置,其特征在于,所述惰性气体为氩气或氦气。
6.如权利要求2所述的大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置,其特征在于,在开始加热前出气口阀门打开,真空系统阀门开启,成型工装内部抽真空,然后真空系统关闭;当加热过程中出现气体参数超过设定范围时,开启均匀布置的四路进气口通入惰性气体,打开真空系统进行抽气,直至气体参数正常时,关闭四路进气口,关闭真空系统。
7.如权利要求6所述的大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置,其特征在于,气体参数范围为:气体压力的设定范围为0.008~0.05MPa;气体流速的设定范围为正速度值;反应生成物含量设定范围为含量值存在波动。
8.如权利要求1所述的大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置,其特征在于,托盘采用镂空结构,防隔热材料被覆盖面不大于外表面30%区域。
9.利用如权利要求1所述大尺寸曲面回转体防隔热材料成型过程温度控制装置进行温度控制方法,其特征在于,步骤如下:
步骤1:将出气口与真空系统连接,在出气口与真空系统连接之间安装气体参数监控设备;惰性气体生成装置一路输出管路安装加热设备,然后与均匀布置的四路进气口连接;另一路连接对称设置两路预案进气口;
步骤2:真空系统开启,出气口阀门打开,抽真空;抽真空后真空系统关闭,维持真空环境;
步骤3:防隔热材料开始加热或开始干燥,加热或干燥过程中生成气体;
当加热或干燥过程中出现气体参数超过设定范围时,开启均匀布置的四路进气口通入惰性气体,打开真空系统进行抽气,直至气体参数正常时,关闭四路进气口,关闭真空系统;
报警监测温点监测的温度超过设定阈值后,开启对称设置两路预案进气口,通入低于室温的惰性气体,直至报警监测温点的温度满足阈值要求;
步骤4、反应结束后,自然冷却至室温,断开出气口和进气口的连接,取出防隔热材料。
10.如权利要求9所述的进行温度控制方法,其特征在于,温度阈值为(T2-T1)p+T1,其中T1为所用树脂的凝胶反应温度或溶剂干燥温度;T2为所用树脂的裂解温度,p选取10%~60%。
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