CN110509572A - 一种全复合材料喷管及快速成型方法 - Google Patents

一种全复合材料喷管及快速成型方法 Download PDF

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张文琦
王利彬
杨柳
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Abstract

本发明提供一种全复合材料喷管及其快速成型方法，属于喷管成型工艺技术领域。所述的喷管从内到外包括：喉衬、耐烧蚀层、隔热层和壳体结构层。本发明还提供一种全复合材料喷管的快速成型方法，与现有技术相比，烧蚀层与隔热层共同固化提高了两者层间界面性能，省去了一次机械加工、真空袋‑热压罐固化时间，缩短了产品生产成本及生产周期。本发明的成型工艺固化过程稳定可靠，无真空袋泄露风险，产品致密度更高，使用可靠性更强。

Description

一种全复合材料喷管及快速成型方法
技术领域
本发明属于喷管成型工艺技术领域，尤其涉及一种全复合材料喷管及快速成型方法。
背景技术
喷管是使火箭获得推力的关键部件。一体化复合材料喷管一般包括喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体承载层及喉衬柔性堵盖。传统一体化复合材料喷管成型必须经历多次缠绕、固化以及机械加工，具体地，在喉衬上由碳布/酚醛布带缠绕耐烧蚀层，固化后机械加工至设计型面，然后在该型面上由高硅氧布/酚醛布带缠绕隔热层，固化后机械加工至设计型面，最后粘接合金壳体或模压碳纤维壳体。成型时间长，各功能层间容易产生裂纹，产品结构可靠性较差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的喷管成型工艺成型时间长、各功能层间容易产生裂纹，产品结构可靠性较差的问题，而提供一种全复合材料喷管及快速成型方法。
本发明首先提供一种全复合材料喷管快速成型方法，包括：
步骤一：根据产品尺寸设计芯模，芯模外型面与产品内型面贴合，所述的芯模包括加热组件；
步骤二：将喉衬装于芯模上，将芯模安装到数控缠绕机上；
步骤三：在喉衬上缠绕耐烧蚀层，材料为碳布/酚醛氰酸酯，斜叠缠绕，斜缠角度10-20°，缠绕时芯模预热温度40-100℃；
步骤四：在耐烧蚀层上缠绕隔热层，材料高硅氧布/酚醛氰酸酯平纹布带，平叠缠绕，缠绕时芯模预热温度40-100℃；
步骤五：将耐烧蚀层和隔热层进行固化，固化温度为50-200℃,固化时间为1-48h；然后将壳体结构层粘接到隔热层外，再固化后进行型面车加工，得到全复合材料喷管；
或者在隔热层上缠绕壳体结构层，然后进行全固化进行型面车加工，得到全复合材料喷管；
所述的壳体结构层的材料为T700/环氧树脂复合材料。
优选的是，所述的加热组件的热源为电热、蒸汽加热或电磁加热。
优选的是，所述的步骤三缠绕耐烧蚀层时，缠绕布带张力为0.2N/mm-100N/mm，压辊压力为5-100kg。
优选的是，所述的步骤四中缠绕隔热层时，缠绕布带张力为1N/mm-100N/mm，压辊压力为5-100kg。
优选的是，所述的步骤五再固化的固化温度为115-125℃，固化时间为2h。
优选的是，所述的步骤五中缠绕壳体结构层时，纤维纱团缠绕张力为10-300N/团，缠绕纱团数1-60团，缠绕时芯模预热温度40-100℃。
优选的是，所述的壳体结构层和隔热层中间设有缓冲层。
优选的是，所述的步骤五还包括：在壳体结构层外依次缠绕外隔热层和外耐烧蚀层。
本发明还提供上述制备方法得到的全复合材料喷管，从内到外包括：
喉衬、耐烧蚀层、隔热层和壳体结构层。
优选的是，所述的全复合材料喷管，从内到外包括：喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体结构层、外耐烧蚀层和外隔热层。
本发明的有益效果
本发明提供一种全复合材料喷管及快速成型方法，该方法中烧蚀层与隔热层共同固化提高了两者层间界面性能，省去了一次机械加工、真空袋-热压罐固化时间，缩短了产品生产成本及生产周期，该技术快速成型的喷管较传统缠绕、真空袋-热压罐成型工艺相比，固化过程稳定可靠，无真空袋泄露风险，产品致密度更高；异质层与复合材料层间可以使用硅橡胶等缓冲树脂层，缓解各层间的热应力，传统喷管产品通过模压成型各功能层，然后通过物理连接装配，一体化喷管各功能层间形成了犬牙交错的界面，可靠性更高。
对于完全使用复合材料成型的喷管，可以进行一体化成型，该种结构喷管一般只进行一次固化即完全成型，不需要复杂的金属对模模具，成本更低，不需要复杂的装配，生产周期更短，各功能层之间没有装配间隙，可靠性更高。
附图说明
图1是现有技术缠绕机的结构示意图；
图2是本发明芯模的轴向剖面示意图；
图3是本发明实施例1制备的全复合材料喷管的轴向剖面结构示意图；
图4是本发明实施例2制备的全复合材料喷管的轴向剖面结构示意图。
图中，1、芯膜，1-1、缠绕轴，1-2、支撑梁，1-3、加热组件，1-4、绝缘层，1-5、起缠止口，1-6、锥形本体，1-7、止缠止口，2、喉衬，3、耐烧蚀层，4、隔热层，5、壳体结构层，6、外隔热层，7、外耐烧蚀层。
具体实施方式
本发明首先提供一种全复合材料喷管快速成型方法，包括：
步骤一：根据产品尺寸设计芯模，芯模外型面与产品内型面贴合，如图2所示，所述的芯膜为锥形结构，由起缠止口1-5、锥形本体1-6和止缠止口1-7组成，芯膜内部为中空结构，中间设有缠绕轴1-1，缠绕轴1-1为可拆卸结构，保证芯模可以进行卧式和立式两种摆放方式，通过螺栓与芯模进行连接，使芯模可以随轴转动，所述的芯模内部还设有轴向、径向交错的支撑梁1-2，保证工作时缠绕芯模不变形，所述的起缠止口1-5、锥形本体1-6和止缠止口1-7为一体结构，芯模内表面依次设有加热组件1-3和绝缘层1-4，所述的加热组件1-3可以根据实际设计要求选择电热、蒸汽热以及电磁热，电磁热温度更容易控制，加热均匀；蒸汽热加热较均匀，温度易于控制，一般适用于存在热废气的成型环境。所述的绝缘层的材料优选为绝缘耐高温橡胶；
步骤二：将喉衬装于芯模上，将芯模安装到数控缠绕机上，所述的数控缠绕机采用现有技术的装置即可，没有特殊限制，如图1所示；
步骤三：在喉衬上缠绕耐烧蚀层，材料为碳布/酚醛氰酸酯，斜叠缠绕，斜缠角度10-20°，缠绕时芯模预热温度40-100℃。缠绕布带张力为0.2N/mm-100N/mm，压辊压力为5-100kg；
步骤四：在耐烧蚀层上缠绕隔热层，材料高硅氧布/酚醛氰酸酯平纹布带，平叠缠绕，缠绕时芯模预热温度40-100℃，缠绕布带张力为1N/mm-100N/mm，压辊压力为15-100kg；。
步骤五：将耐烧蚀层和隔热层进行固化，固化温度为50-200℃,固化时间为1-48h；然后将壳体结构层粘接到隔热层外，再固化后进行型面车加工，经过脱模、装配得到全复合材料喷管；所述的再固化的固化温度优选为115-125℃，固化时间优选为2h；
或者在隔热层上缠绕壳体结构层，纤维纱团缠绕张力为10-300N/团，缠绕纱团数1-60团，缠绕时芯模预热温度40-100℃，然后进行全固化进行型面车加工，所述的全固化的固化温度优选为50-200℃,固化时间优选为1-48h。经过脱模、装配得到全复合材料喷管；
所述的壳体结构层的材料为T700/环氧树脂复合材料。
为了减缓层间应力，所述的壳体结构层和隔热层间涂刷粘接缓冲层，所述的缓冲层优选为橡胶缓冲层，厚度为0.1-0.5mm。
按照本发明，所述的步骤五还包括：在壳体结构层外依次缠绕外隔热层和外耐烧蚀层。为了减缓层间应力，所述的壳体结构层和外隔热层间涂刷粘接缓冲层，所述的缓冲层优选为橡胶缓冲层，厚度为0.1-0.5mm。
本发明还提供上述制备方法得到的全复合材料喷管，从内到外包括：
喉衬、耐烧蚀层、隔热层和壳体结构层。
优选的是，所述的全复合材料喷管，从内到外包括：喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体结构层、外耐烧蚀层和外隔热层。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种全复合材料喷管，如图3所示，该喷管由耐烧蚀碳碳针刺编织喉衬2、碳布/酚醛氰酸酯耐烧蚀层3、高硅氧布/酚醛氰酸酯隔热层4、T700/环氧树脂壳体结构层5、高硅氧布/酚醛氰酸酯外隔热层6和碳布/酚醛氰酸酯外耐烧蚀层7组成。具体成型方法为：
首先根据产品设计芯模1，芯模1外型面与产品内型面贴合；
将喉衬2装于芯模1上，将芯模1安装到图1的数控缠绕机上；
耐烧蚀层3缠绕碳布通过纠正张力设备收卷，然后放入数控缠绕机原料区，在布带起缠接口刷酚醛氰酸酯树脂，使布带粘在起缠位置；
耐烧蚀层3缠绕时芯模预热温度为70℃,斜叠缠绕，斜缠角度15°，缠绕布带张力为5N/mm，压辊压力为50kg；
隔热层4缠绕时芯模预热温度为70℃,平叠缠绕，缠绕布带张力为70N/mm，压辊压力为50kg。
隔热层4缠绕完毕后，芯模进入固化加热阶段，固化温度为180℃，固化时间为6h；固化完成后将缠绕棍换成车刀，根据设计型面对隔热层进行加工，采用数控机床进行加工，加工选取芯模头或尾部止口作为基准，加工过程禁止产品接触水或油，产品加工后需要使用无水清洗剂(如无水乙醇)擦除表面灰尘。
壳体结构层5原材料为T700/环氧树脂复合材料，通过金属对模制造，粘接到隔热层外，在180℃下固化6h后进行型面车加工；
在壳体结构层5上缠绕外耐热层6和外耐烧蚀层7，外隔热层6缠绕时芯模预热温度为70℃,平叠缠绕，缠绕布带张力为70N/mm，压辊压力为50kg；
外耐烧蚀层7缠绕时芯模预热温度为70℃,斜叠缠绕，斜缠角度15°，缠绕布带张力为5N/mm，压辊压力为50kg；
缠绕完毕后，芯模进入固化加热阶段，固化温度为180℃，固化时间为6h；然后进行最终型面车加工，得到全复合材料喷管。
为了减缓层间应力，壳体结构层5分别和隔热层4和外隔热层6间涂刷粘接硅橡胶缓冲层，厚度为0.3mm。
实施例2
一种全复合材料固体火箭喷管，如图4所示，该喷管由耐烧蚀碳碳针刺编织喉衬2、碳布/酚醛氰酸酯耐烧蚀层3、高硅氧布/酚醛氰酸酯隔热层4及T700/环氧树脂壳体结构层5组成。具体成型方法为：
首先根据产品设计芯模1，芯模1外型面与产品内型面贴合；
将喉衬2装于芯模1上，将芯模1安装到数控缠绕机上；
耐烧蚀层3缠绕碳布通过纠正张力设备收卷，然后放入数控缠绕机原料区，在布带起缠接口刷酚醛氰酸酯树脂，使布带粘在起缠位置；
耐烧蚀层3缠绕时芯模预热温度为40℃，斜缠角度15°，缠绕布带张力为5N/mm，压辊压力为50kg；
隔热层4缠绕时芯模预热温度为40℃，平叠缠绕，缠绕布带张力为70N/mm，压辊压力为50kg；
缠绕壳体结构层5，缠绕纤维为T700碳纤维，树脂为环氧树脂，采用湿法缠绕，缠绕纱团数30团，纤维缠绕张力为40N/团，缠绕时芯模预热温度40℃；缠绕完毕后，在180℃下进行全固化6h，将缠绕棍换成车刀，根据设计型面对壳体结构层5进行加工，经过脱模、装配得到全复合材料喷管；
为了减缓层间应力，壳体结构层5和耐热层4间粘接硅橡胶缓冲层，厚度为0.3mm。

Claims (10)

1.一种全复合材料喷管快速成型方法，其特征在于，包括：
步骤一：根据产品尺寸设计芯模，芯模外型面与产品内型面贴合，所述的芯模包括加热组件；
步骤二：将喉衬装于芯模上，将芯模安装到数控缠绕机上；
步骤三：在喉衬上缠绕耐烧蚀层，材料为碳布/酚醛氰酸酯，斜叠缠绕，斜缠角度10-20°，缠绕时芯模预热温度40-100℃；
步骤四：在耐烧蚀层上缠绕隔热层，材料高硅氧布/酚醛氰酸酯平纹布带，平叠缠绕，缠绕时芯模预热温度40-100℃；
步骤五：将耐烧蚀层和隔热层进行固化，固化温度为50-200℃,固化时间为1-48h；然后将壳体结构层粘接到隔热层外，再固化后进行型面车加工，得到全复合材料喷管；
或者在隔热层上缠绕壳体结构层，然后进行全固化进行型面车加工，得到全复合材料喷管；
所述的壳体结构层的材料为T700/环氧树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种全复合材料喷管快速成型方法，其特征在于，所述的加热组件的热源为电热、蒸汽加热或电磁热。
3.根据权利要求1所述的一种全复合材料喷管快速成型方法，其特征在于，所述的步骤三缠绕耐烧蚀层时，缠绕布带张力为0.2N/mm-100N/mm，压辊压力为5-100kg。
4.根据权利要求1所述的一种全复合材料喷管快速成型方法，其特征在于，所述的步骤四中缠绕隔热层时，缠绕布带张力为1N/mm-100N/mm，压辊压力为15-100kg。
5.根据权利要求1所述的一种全复合材料喷管快速成型方法，其特征在于，所述的步骤五再固化的固化温度为115-125℃，固化时间为2h。
6.根据权利要求1所述的一种全复合材料喷管快速成型方法，其特征在于，所述的步骤五中缠绕壳体结构层时，纤维纱团缠绕张力为10-300N/团，缠绕纱团数1-60团，缠绕时芯模预热温度40-100℃。
7.根据权利要求1所述的一种全复合材料喷管快速成型方法，其特征在于，所述的壳体结构层和隔热层中间设有缓冲层。
8.根据权利要求1所述的一种全复合材料喷管快速成型方法，其特征在于，所述的步骤五还包括：在壳体结构层外依次缠绕外隔热层和外耐烧蚀层。
9.权利要求1-8任何一项所述的制备方法得到的全复合材料喷管，其特征在于，所述的喷管从内到外包括：
喉衬、耐烧蚀层、隔热层和壳体结构层。
10.根据权利要求9所述的全复合材料喷管，其特征在于，所述的全复合材料喷管，从内到外包括：喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体结构层、外耐烧蚀层和外隔热层。
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