CN111016004A - 一种整流罩防热结构及其成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种整流罩防热结构及其成型方法，涉及飞行器整流罩制造技术领域。整流罩防热结构包括内衬、胶粘剂界面层、树脂基复合材料烧蚀隔热层，其成型方法包括A、增强材料浸润基体树脂后烘干收卷得连续预浸布；B、连续预浸布裁切得预浸布布带；C、预浸布布带粘合连续收卷得连续缠绕布带；D、连续缠绕布带变锥度斜叠缠绕得缠绕蒙皮；E、缠绕蒙皮固化；F、缠绕蒙皮加工得到树脂基复合材料烧蚀隔热层；G、内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层通过胶粘剂界面层连接；H、防热层加工。斜叠结构实现布带顺气流排列，抗冲刷、烧蚀性能更优，可解决大口径(直径＞300mm)整流罩防热层与铝内衬界面脱粘问题。

Description

一种整流罩防热结构及其成型方法
技术领域
本发明涉及飞行器整流罩制造技术领域，尤其涉及一种整流罩防热结构及其成型方法。
背景技术
吸气式高超声速飞行器因其可提高推进效率、增强载荷能力、扩展发射窗口等优势成为当前各航空航天大国研究和竞争的热点。高超声速飞行器的动力来源为异形自然吸气式超燃冲压发动机，发动机需在5Ma以上的飞行速度下开始工作，从而实现超音速燃烧。发动机在达到工作窗口所需飞行速度前，需对发动机流场进行校正，降低飞行阻力，提高燃料利用率。
整流罩一般由金属内衬和防热结构两部分组成，在减重方面铝合金内衬优势较为明显，与之匹配的防热层常为树脂材料。整流罩作为校正发射流场的功能部件，在发射段需抵抗气动加热带来的温升，整流罩的防热结构设计至关重要，既需满足防热要求，又需尽可能降低结构冗余和消极重量。典型防热方法有辐射法、热沉法和烧蚀法。当前最常使用的为烧蚀法，如硅橡胶、酚醛等。
公告号为110126145A的中国发明专利提出了一种耐高温尾整流罩成型凸模的制作方法，包括：步骤1、制作工装基体，数控加工出各部件内部减轻槽，以及外观曲面型面；步骤2、根据单位现有数控设备极限加工参数，划分好加工极限分离面，以及各个部件的减轻孔、槽，连接孔、平面，将各部件运用耐高温树脂、螺栓连接固定，完成该耐高温尾整流罩成型凸模基体的制作；步骤3、在制出的耐高温尾整流罩成型凸模整体基体上手工塑造高温环氧树脂，形成树脂型面层；步骤4、数控加工树脂型面层。
但是高温环氧树脂、酚醛基复合材料等与铝合金内衬两者热膨胀系数存在差异，该种结构整流罩常出现界面脱粘等问题。而酚醛基复合材料的常用成型方法为布带重叠缠绕，该种缠绕方式无法实现布带的顺气流排列，且缠绕层间暴露外侧，在进行外防热过程中容易产生层间失效、剥离等问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的一是提供一种整流罩防热结构；本发明的目的二是提供一种整流罩防热结构成型方法。
为实现本发明的上述发明目的一，本发明提供如下技术方案：一种整流罩防热结构，包括由内至外依次设置的内衬、胶粘剂界面层和树脂基复合材料烧蚀隔热层，所述内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层均为以幂次曲线为母线的回转体，所述内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层通过胶粘剂界面层相连接。
优选的，所述内衬材质包括铝合金，所述胶粘剂包括耐200℃以上高温的环氧胶粘剂、改性环氧胶粘剂、酚醛胶粘剂中的一种，所述幂次曲线包括三次曲线。
优选的，所述树脂基复合材料烧蚀隔热层厚度为5mm，树脂基复合材料烧蚀隔热层包括基体树脂、增强材料；所述基体树脂包括酚醛树脂或改性酚醛树脂，所述增强材料包括SiO2含量高于95％的高硅氧玻璃纤维平纹布、石英纤维平纹布；所述树脂基复合材料烧蚀隔热层的环向拉伸强度大于等于70MPa，氧乙炔线烧蚀率小于等于0.15mm/s，导热系数小于1W/(m·K)；所述基体树脂的热分解温度大于400℃。
更为优选的，材料环形拉伸强度78.4MPa以上，导热系数为0.4～0.8W/(m·K)，纤维中SiO2含量为96％以上，基体树脂为钡酚醛树脂，基体热分解温度为425℃。
为实现本发明的上述发明目的二，本发明提供如下技术方案：一种整流罩防热结构成型方法，包括以下步骤A、将增强材料在装有基体树脂的胶槽中进行浸润后烘干，收卷得到连续预浸布；B、将连续预浸布裁切得到预浸布布带；C、将预浸布布带粘合后连续收卷得到连续缠绕布带；D、连续缠绕布带在芯模上变锥度斜叠缠绕得到缠绕蒙皮；E、将缠绕蒙皮固化；F、缠绕蒙皮加工得到树脂基复合材料烧蚀隔热层；G、将内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层通过胶粘剂界面层相连接；H、整流罩组件加工，按照整流罩外形尺寸进行防热层加工。
优选的，所述步骤B具体包括：将连续预浸布按照经向夹角45°方向进行裁剪切割，切割布带宽度d＝(1+ε)·δ/sin(α-β)；δ为防热层厚度，δ≤30mm；α为缠绕角，β为芯模锥角，0≤β≤20°，β≤α≤50°；ε为校正系数，ε的取值为0.3～0.5，得到宽度大于等于20mm的预浸布布带。
预浸布由基体浸润增强材料组成，二维增强材料平纹织物由径向纤维和纬向纤维编织而成，经纬纱夹角90°，沿与经向夹角45°裁切可实现布带变形，类似拉着矩形对角线变为平行四边形。防热层过厚，在后续固化过程易出现内部缺陷，β过大布带在缠绕过程中易出现滑移，α过大布带在缠绕过程中易出现滑移，无法实现缠绕。
优选的，所述步骤C具体包括：预浸布布带按照搭接宽度40～80mm在80～100℃下加压5～15s，加压压力100～300N，预浸布布带经粘合后连续收卷得到连续缠绕布带。
搭接宽度过短粘接强度不足，易在成型过程因受牵引力而脱粘，搭接宽度过大，不易实现均匀受压和粘接，且搭接占缠绕布带总长的比例增加，即出现双层布带缠绕的比例增大，不利于缠绕成型；加压时间过短，温度过低，树脂均为达到黏稠状态，粘接性能不足，温度过高，时间过长，树脂提前发生反应，影响后续缠绕过程中的界面性能；加压压力过大易造成树脂流失，过小达不到无法实现粘接。
优选的，所述步骤D具体包括：将连续缠绕布带在布带缠绕机上通过张力辊、锥形压辊缠绕在芯模上得到缠绕蒙皮；
初始张力为5～15N/mm，锥形压辊温度30～50℃，缠绕时轴向进给量△x＝t·cosβ/sin(α-β)，径向进给量△r＝t·sinβ/sin(α-β)，t为所述预浸布带单层厚度，β为芯模锥角，α为缠绕角，20°≤α≤50°，β＜α，缠绕过程中连续缠绕布带在张力作用下产生较大变形，所述变形产生于布带的45°斜向裁切；
张力过小，无法实现预变形，张力过大变形超出原有变形量需求；压辊温度过高布带容易粘附于压辊表面，过低树脂未熔融；t为0.15～0.25，该曲线为适宜布带缠绕的厚度；
所述芯模包括幂次曲线模芯、锥形挡板，所述锥形挡板的锥角等于缠绕角α，所述挡板装配于芯模大端，缠绕时连续缠绕布带自芯模大端向小端缠绕，所述芯模材质为钢材质，所述芯模尺寸比待装配整流罩结构件外形单边缩减1～2mm；预留配车的加工余量，过大加工量过大，过小无法完成装配。
优选的，所述步骤E具体包括：将缠绕在芯模上的缠绕蒙皮进行固化，所述固化方式包括烘箱固化、真空热压罐固化中的一种。
优选的，所述步骤F具体包括：将固化后的缠绕蒙皮进行外形车削和内孔配合加工，得到树脂基复合材料烧蚀隔热层；所述外形车削的尺寸为树脂基复合材料烧蚀隔热层的外形尺寸加1～2mm，预留加工尺寸，可保证整流罩外形与金属内衬的同轴；所述内孔配合加工根据待装配整流罩结构件外形，控制单侧间隙为0.2～0.5m，间隙过小，蒙皮内腔加工精度无法实现，间隙过大，胶接强度不足，易出现胶接面缺陷。
优选的，所述步骤G具体包括：将内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层通过胶粘剂界面层相连接，蒙皮胶接所用胶粘剂为耐温200℃以上可室温固化胶粘剂，包括环氧胶粘剂、酚醛胶粘剂中一种，胶粘剂工艺窗口即胶粘剂自配置到凝胶的时间为0.5～2h，过大，胶液易在胶接后流失，过小工艺性差，操作时间预留不足；固化过程持续加压并控制胶接间隙为0.2～0.5mm。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)与重叠缠绕防热层，斜叠缠绕防热层可根据飞行轨迹对缠绕角度进行设计，可实现布带顺气流排列，避免分层、大面积剥蚀等问题发生；
(2)蒙皮独立成型+后胶接的成型工艺方法较直接在铝内衬表面进行缠绕成型的工艺方法，可避免因铝合金与复合材料热膨胀系数不匹配带来的界面脱粘问题，对于直径超过300mm的铝内衬，该方法为优选方案；
(3)该方法较铝内衬表面直接缠绕成型的方法，可避免复合材料固化过程中的热应力导致的铝合金变形问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的整流罩防热结构示意图；
附图标记：1、内衬；2、胶粘剂界面层；3、树脂基复合材料防热层。
具体实施方式
以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：
实施例1
本实施例提供了一种整流罩防热结构，由内至外依次设置的内衬、胶粘剂界面层和树脂基复合材料烧蚀隔热层，内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层均为以幂次曲线为母线的回转体，幂次曲线为三次曲线，内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层通过胶粘剂界面层相连接。内衬材质包括铝合金，胶粘剂包括耐200℃以上高温的环氧胶粘剂、改性环氧胶粘剂、酚醛胶粘剂中的一种，胶粘剂界面层为SG-200环氧型胶粘剂，200℃下铝-铝拉伸剪切强度≮14MPa。内衬为铝合金材质，铝合金内衬为铸铝加工件。
树脂基复合材料烧蚀隔热层包括基体树脂、增强材料；基体树脂为钡酚醛树脂，基体热分解温度为425℃，增强材料包括SiO2含量高于96％的高硅氧玻璃纤维平纹布、石英纤维平纹布；树脂基复合材料烧蚀隔热层的环向拉伸强度大于等于70MPa，优选的材料环形拉伸强度78.4MPa以上，氧乙炔线烧蚀率小于等于0.15mm/s，导热系数小于1W/(m·K)，优选的导热系数为0.4～0.8W/(m·K)；树脂基复合材料烧蚀隔热层厚度为5mm。
本实施例还提供了一种整流罩防热结构成型方法，包括以下步骤：
A、将增强材料经120℃脱水后在装有基体树脂的胶槽中进行浸润后通过烘道烘干，收卷得到连续预浸布；
B、将连续预浸布裁切得到预浸布布带；步骤B具体包括：将连续预浸布按照经向夹角45°方向进行裁剪切割，切割布带宽度d＝(1+ε)·δ/sin(α-β)；δ为防热层厚度，δ≤30mm；α为缠绕角，β为芯模锥角，0≤β≤20°，β≤α≤50°；ε为校正系数，ε的取值为0.3～0.5，得到宽度大于等于20mm的预浸布布带；本实施例布带裁切宽度为(50±1)mm。
预浸布由基体浸润增强材料组成，二维增强材料平纹织物由径向纤维和纬向纤维编织而成，经纬纱夹角90°，沿与经向夹角45°裁切可实现布带变形，类似拉着矩形对角线变为平行四边形。防热层过厚，在后续固化过程易出现内部缺陷，β过大布带在缠绕过程中易出现滑移，α过大布带在缠绕过程中易出现滑移，无法实现缠绕。
C、将预浸布布带粘合后连续收卷得到连续缠绕布带；步骤C具体包括：预浸布布带按照搭接宽度(30±10)mm在(70±5)℃下加压，加载时间为(5～10)s，加压压力(150±10)N，预浸布布带经粘合后连续收卷得到连续缠绕布带。
搭接宽度过短粘接强度不足，易在成型过程因受牵引力而脱粘，搭接宽度过大，不易实现均匀受压和粘接，且搭接占缠绕布带总长的比例增加，即出现双层布带缠绕的比例增大，不利于缠绕成型；加压时间过短，温度过低，树脂均为达到黏稠状态，粘接性能不足，温度过高，时间过长，树脂提前发生反应，影响后续缠绕过程中的界面性能；加压压力过大易造成树脂流失，过小达不到无法实现粘接。
D、连续缠绕布带在芯模上变锥度斜叠缠绕得到缠绕蒙皮；步骤D具体包括：将连续缠绕布带在布带缠绕机上通过张力辊、锥形压辊缠绕在芯模上得到缠绕蒙皮；
初始张力为5～15N/mm，锥形压辊温度30～50℃，缠绕时轴向进给量△x＝t·cosβ/sin(α-β)，径向进给量△r＝t·sinβ/sin(α-β)，t为预浸布带单层厚度，β为芯模锥角，α为缠绕角，20°≤α≤50°，β＜α，缠绕过程中连续缠绕布带在张力作用下产生较大变形，变形产生于布带的45°斜向裁切；本实施例缠绕角为33°，缠绕张力为(60～80)N，锥形压辊温度为(30～40)℃，缠绕时轴向和径向进给量实时校正
张力过小，无法实现预变形，张力过大变形超出原有变形量需求；压辊温度过高布带容易粘附于压辊表面，过低树脂未熔融；t为0.15～0.25，该曲线为适宜布带缠绕的厚度；
芯模包括幂次曲线模芯、锥形挡板，锥形挡板的锥角等于缠绕角α，挡板装配于芯模大端，缠绕时连续缠绕布带自芯模大端向小端缠绕，芯模材质为钢材质，芯模尺寸比待装配整流罩结构件外形单边缩减1mm；预留配车的加工余量，过大加工量过大，过小无法完成装配。
E、将缠绕蒙皮固化；步骤E具体包括：将缠绕在芯模上的缠绕蒙皮进行固化，固化方式包括烘箱固化、真空热压罐固化中的一种，本实施例优选为真空热压罐固化，固化温度(160±5)℃，固化时间4h，固化压力(0.9～1.1)MPa。
F、缠绕蒙皮加工得到树脂基复合材料烧蚀隔热层；步骤F具体包括：将固化后的缠绕蒙皮进行外形车削和内孔配合加工，得到树脂基复合材料烧蚀隔热层；外形车削的尺寸为树脂基复合材料烧蚀隔热层的外形尺寸加1mm，预留加工尺寸，可保证整流罩外形与金属内衬的同轴；内孔配合加工根据待装配整流罩结构件外形，控制单侧间隙为0.3～0.5m，间隙过小，蒙皮内腔加工精度无法实现，间隙过大，胶接强度不足，易出现胶接面缺陷。
G、将内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层通过胶粘剂界面层相连接；步骤G具体包括：将内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层通过胶粘剂界面层相连接，蒙皮胶接所用胶粘剂为SG-200胶粘剂，胶接间隙控制为(0.3～0.5)mm，胶粘剂室温24h完成固化；固化过程持续加压并控制胶接间隙为0.2～0.5mm。
H、整流罩组件加工，按照整流罩外形尺寸进行防热层加工。
该方案得到的整流罩防热结构可实现缠绕布带的顺气流排列，较直带重叠缠绕防热层本申请的技术方案的氧乙炔线烧蚀率可提高20-30％，可有效解决分层鼓包等问题，有利于气动外形的维持。常温后的胶接工艺可有效解决因热膨胀差异导致的界面大面积脱粘问题，产品探伤缺陷面积≯10％。经实际测试产品在射流试验中冷壁温度维持在60℃，有效实现防热功能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种整流罩防热结构，其特征在于，包括由内至外依次设置的内衬、胶粘剂界面层和树脂基复合材料烧蚀隔热层，所述内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层均为以幂次曲线为母线的回转体，所述内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层通过胶粘剂界面层相连接。
2.根据权利要求1所述的整流罩防热结构，其特征在于，所述内衬材质包括铝合金，所述胶粘剂包括耐200℃以上高温的环氧胶粘剂、改性环氧胶粘剂、酚醛胶粘剂中的一种，所述幂次曲线包括三次曲线。
3.根据权利要求1所述的整流罩防热结构，其特征在于，所述树脂基复合材料烧蚀隔热层厚度为5mm，树脂基复合材料烧蚀隔热层包括基体树脂、增强材料；所述基体树脂包括酚醛树脂或改性酚醛树脂，所述增强材料包括SiO2含量高于95％的高硅氧玻璃纤维平纹布、石英纤维平纹布；所述树脂基复合材料烧蚀隔热层的环向拉伸强度大于等于70MPa，氧乙炔线烧蚀率小于等于0.15mm/s，导热系数小于1W/(m·K)；所述基体树脂的热分解温度大于400℃。
4.一种整流罩防热结构成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将增强材料在装有基体树脂的胶槽中进行浸润后烘干，收卷得到连续预浸布；
B、将连续预浸布裁切得到预浸布布带；
C、将预浸布布带粘合后连续收卷得到连续缠绕布带；
D、连续缠绕布带在芯模上变锥度斜叠缠绕得到缠绕蒙皮；
E、将缠绕蒙皮固化；
F、缠绕蒙皮加工得到树脂基复合材料烧蚀隔热层；
G、将内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层通过胶粘剂界面层相连接；
H、整流罩组件加工，按照整流罩外形尺寸进行防热层加工。
5.根据权利要求4所述的整流罩防热结构成型方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：将连续预浸布按照经向夹角45°方向进行裁剪切割，切割布带宽度d＝(1+ε)·δ/sin(α-β)；δ为防热层厚度，δ≤30mm；α为缠绕角，β为芯模锥角，0≤β≤20°，β≤α≤50°；ε为校正系数，ε的取值为0.3～0.5，得到宽度大于等于20mm的预浸布布带。
6.根据权利要求4所述的整流罩防热结构成型方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：预浸布布带按照搭接宽度40～80mm在80～100℃下加压5～15s，加压压力100～300N，预浸布布带经粘合后连续收卷得到连续缠绕布带。
7.根据权利要求4所述的整流罩防热结构成型方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：将连续缠绕布带在布带缠绕机上通过张力辊、锥形压辊缠绕在芯模上得到缠绕蒙皮；
采用的初始张力为5～15N/mm，锥形压辊温度30～50℃，缠绕时轴向进给量△x＝t·cosβ/sin(α-β)，径向进给量△r＝t·sinβ/sin(α-β)，t为所述预浸布带单层厚度，β为芯模锥角，α为缠绕角，20°≤α≤50°，β＜α，缠绕过程中连续缠绕布带在张力作用下产生较大变形，所述变形产生于布带的45°斜向裁切；
所述芯模包括幂次曲线模芯、锥形挡板，所述锥形挡板的锥角等于缠绕角α，所述挡板装配于芯模大端，缠绕时连续缠绕布带自芯模大端向小端缠绕，所述芯模材质为钢材质，所述芯模尺寸比待装配整流罩结构件外形单边缩减1～2mm。
8.根据权利要求4所述的整流罩防热结构成型方法，其特征在于，所述步骤E具体包括：将缠绕在芯模上的缠绕蒙皮进行固化，所述固化方式包括烘箱固化、真空热压罐固化中的一种。
9.根据权利要求4所述的整流罩防热结构成型方法，其特征在于，所述步骤F具体包括：将固化后的缠绕蒙皮进行外形车削和内孔配合加工，得到树脂基复合材料烧蚀隔热层；所述外形车削的尺寸为树脂基复合材料烧蚀隔热层的外形尺寸加1～2mm，所述内孔配合加工根据待装配整流罩结构件外形，控制单侧间隙为0.2～0.5mm。
10.根据权利要求4所述的整流罩防热结构成型方法，其特征在于，所述步骤G具体包括：将内衬、树脂基复合材料烧蚀隔热层通过胶粘剂界面层相连接，蒙皮胶接所用胶粘剂为耐温200℃以上可室温固化胶粘剂，包括环氧胶粘剂、酚醛胶粘剂中一种，胶粘剂工艺窗口为0.5～2h，固化过程持续加压并控制胶接间隙为0.2～0.5mm。
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