CN111196048B - 大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法及一体化构件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法及一体化构件，方法包括：步骤1、对金属承载结构表面进行预处理并涂刷胶粘剂，将弹性应变层整体铺覆于金属承载结构表面得第一中间结构件；步骤2、获取第二中间结构件：在弹性应变层上涂刷胶粘剂，其中，弹性应变层的负曲率型面上还设置至少一个区域不涂刷胶粘剂；在涂刷有胶粘剂的区域铺覆外防热层的预浸料，铺覆完成后，固化即得具有缝隙结构的第二中间结构件；步骤3、对缝隙结构进行外防热层的预浸料铺覆、固化，冷却脱模即得。该方法解决了目前对于大尺寸异型结构‑防热一体化构件的成型中在复杂曲率型面极易产生应力集中，导致外防热层发生脱粘或分层，整体成型难度较大的技术问题。

Description

大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法及一体化构件

技术领域

本发明提供一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法及一体化构件，属于复合材料技术领域。

背景技术

随着飞行器战技指标的不断提高，对弹体结构的可靠性提出了更加苛刻的要求。对于大尺寸复杂异型构件，传统的防热复合材料一般采用TPS式结构，具有制造加工费用高，装配难度大，可靠性较低等缺点，严重制约了飞行器的发展。采用整体成型的结构-防热一体化构件，已成为提升弹体结构可靠性和战技性能的重要手段和发展趋势。

目前，国内结构-防热一体化构件整体成型主要见于结构较简单的单一曲率构型的产品，对于大尺寸复杂异型结构-防热一体化构件，由于存在大尺寸、复杂曲率(尤其是存在负曲率型面)、多材料界面等特点，在复杂曲率型面极易产生应力集中，导致外防热层发生脱粘或分层，整体成型难度较大。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的目的在于提供一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法及一体化构件，以解决目前对于大尺寸复杂异型结构-防热一体化构件的成型，由于其存在大尺寸、复杂曲率、多材料界面等特点，在复杂曲率型面极易产生应力集中，导致外防热层发生脱粘或分层，整体成型难度较大的技术问题。

技术解决方案如下：

根据一方面，提供一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法，所述一体化构件包括金属承载结构，以及设置在所述金属承载结构外侧表面的外防热层，所述金属承载结构为异形结构，具有正曲率型面和负曲率型面，所述一体化构件的成型方法包括：

步骤1、获取第一中间结构件，

对所述金属承载结构表面进行预处理并涂刷胶粘剂，然后将弹性应变层整体铺覆于涂刷有胶粘剂的金属承载结构表面即得，其中，铺覆完成后的弹性应变层具有与所述金属承载结构相对应的负曲率型面；

步骤2、获取第二中间结构件，包括：

2.1在所述第一中间结构件的弹性应变层表面涂刷所述胶粘剂，且弹性应变层的负曲率型面上还设置至少一个区域不涂刷所述胶粘剂；

2.2在涂刷有胶粘剂的弹性应变层表面铺覆所述外防热层的预浸料；

2.3将铺覆结束后的结构进行固化即得，其中，所得第二中间结构件中，所述未涂刷胶粘剂的至少一个区域形成至少一个缝隙结构；

步骤3、基于所述第二中间结构件，在所述至少一个缝隙结构的内表面上涂刷胶粘剂，采用与所述步骤2中相同的铺层方向对所述缝隙结构进行所述外防热层的预浸料铺覆，铺覆结束后进行整体固化，然后冷却脱模即得。

进一步地，所述缝隙结构至少为两个，且至少为两个的所述缝隙结构间隔设置。

进一步地，沿所述外防热层的预浸料的厚度方向且远离所述弹性应变层方向，所述缝隙结构的横截面积逐渐增加。

进一步地，所述金属承载结构的材质为铝合金、钛合金或者钢材类；所述弹性应变层的材质为丁腈橡胶、硅橡胶或聚氨酯橡胶。

进一步地，所述外防热层的预浸料选自石英/酚醛预浸料、高硅氧/酚醛预浸料、石英酚醛混编织物/酚醛预浸料及石英/腈基预浸料、高硅氧/腈基预浸料及石英酚醛混编织物/腈基预浸料中的任一种。

进一步地，所述胶粘剂选自环氧胶粘剂、酚醛类胶粘剂、酚醛/橡胶类胶粘剂及酚醛/环氧类胶粘剂中的任一种。

进一步地，所述胶粘剂为酚醛/环氧类胶粘剂。

进一步地，所述步骤2和3中，采用热压罐固化工艺进行固化。

根据另一方面，提供一种大尺寸异型结构/防热一体化构件，所述一体化构件采用上述的成型方法制备得到。

进一步地，所述一体化结构为飞行器舱段，所述金属承载结构为金属舱体。

通过上述技术方案，对于尺寸异型结构/防热一体化构件及其成型方法，一方面在通过设计弹性应变层，缓解了金属承载结构与外防热层复合材料之间因线胀系数差异造成的变形不匹配；另一方面，成型过程中，设置缝隙结构，采用对接共固化的方式，设置应力释放渠道，缓解复杂曲率构型区域的应力集中现象，避免外防热层与金属承载结构发生脱粘，提高了结构-防热一体化构件的整体成型质量。该方法解决了传统成型方式制备大尺寸复杂异型结构-防热一体化构件时，外防热层易与金属承载结构发生脱粘的问题，具有良好的工艺稳定性和可操作性，能有效保证外防热层的整体性及可靠性，在大尺寸复杂异型结构-防热一体化构件中具有良好的示范效应和推广应用价值。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为据本发明实施例提供的大尺寸异型结构-防热一体化构件的成型工艺流程示意图；

图2为根据本发明实施例提供的大尺寸异型结构-防热一体化构件截面示意图；

图3为根据本发明实施例提供的制备的大尺寸异型结构-防热一体化构件的第二中间结构件的结构示意图；

图4为根据本发明实施例提供的缝隙结构40铺层对接共固化成型示意图；

上述附图中：

10、金属承载结构；20、弹性应变层；30、外防热层；40、缝隙结构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

正如背景技术所提到的，为了解决现有大尺寸复杂异型结构-防热一体化构件成型时在复杂曲率型面极易产生应力集中，导致外防热层发生脱粘或分层，整体成型难度较大的技术问题。如图1-3所示，本发明实施例提供一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法，所述一体化构件包括金属承载结构10，以及设置在所述金属承载结构10外侧表面的外防热层30，所述金属承载结构10为异形结构，具有正曲率型面和负曲率型面，所述一体化构件的成型方法包括：

步骤1、获取第一中间结构件，

对所述金属承载结构10表面进行预处理并涂刷胶粘剂，然后将弹性应变层20整体铺覆于涂刷有胶粘剂的金属承载结构10表面即得，其中，铺覆完成后的弹性应变层20具有与所述金属承载结构10相对应的负曲率型面；

步骤2、获取第二中间结构件，包括：

2.1在所述第一中间结构件的弹性应变层20上涂刷所述胶粘剂，其中，所述弹性应变层20的负曲率型面上还设置至少一个区域不涂刷所述胶粘剂；

2.2在涂刷有胶粘剂的弹性应变层20上铺覆所述外防热层30的预浸料；

2.3将铺覆结束后的结构进行固化即得；所得第二中间结构件中，所述至少一个区域和固化完成的预浸料之间形成至少一个缝隙结构40；

步骤3、基于所述第二中间结构件，在所述至少一个缝隙结构40的内表面上涂刷胶粘剂，采用与所述步骤2中相同的铺层方向对所述缝隙结构40进行所述外防热层30的预浸料铺覆，铺覆结束后进行整体固化，然后冷却脱模即得。

本发明实施例提供的成型方法，作为一项重要之处在于：在通过设计弹性应变层20，弹性应变层20自身的弹性变形能够吸收金属承载结构10和外防热层30形变的差异，进而缓解了金属承载结构10与外防热层30复合材料之间因线胀系数差异造成的变形不匹配。作为另一项重要之处在于：成型过程中，现有的成型是采用整体铺层固化，这样预浸料的树脂本身在固化时产生较多应力，无法释放，本发明实施例则进行两次预浸料铺层、共固化，先进行预浸料的大面积铺层、固化；再进行预浸料在缝隙结构40中的铺层、固化，其中，设置缝隙结构40，采用对接共固化的方式，设置应力释放渠道，虽然树脂固化中也会有应力集中，但是均通过缝隙结构40的自由边界释放了树脂固化过程的固化收缩应力，进而缓解复杂曲率构型区域的应力集中现象，避免外防热层30与金属承载结构10发生脱粘，提高了结构-防热一体化构件的整体成型质量。

本发明实施例中，负曲率型面通常指向内凹的型面。

本发明实施例中，由于弹性应变层20铺覆于金属承载结构10表面，在所述金属承载结构10的负曲率型面处也对应会形成弹性应变层20的负曲率型面。此外，本发明实施例选择在负曲率型面设置缝隙结构40，原因在于，负曲率型面上更易产生应力集中。

本发明实施例中，上述的金属承载结构10可以是金属舱体，外防热层30为具有烧蚀作用的保护层，金属舱体主要起承载作用，外防热层30起烧蚀防热作用；目前，外防热层30采用整体成型的形式铺覆于金属舱体外型面。本发明实施例中，金属舱体与外防热层30之间设置弹性应变层20，弹性应变层20与金属舱体及外防热层30之间采用胶粘剂固定粘接，缓解两者之间线胀系数差异造成的变形不匹配；外防热层30采用缝隙对接共固化的方式，释放复杂曲率构型区域的应力集中，即大面积铺层结束后，固化一次，之后再用预浸料铺层缝隙结构40，二次固化，实现结构-防热一体化构件的整体成型。

本发明实施例中，上述外防热层30的预浸料第一次铺覆时，可根据厚度需要进行铺层，在第一次铺层结束后，预浸料之间未铺层的区域沿预浸料的厚度方向形成具有一定深度的缝隙结构40，可根据需要设置缝隙结构40的具体形状。

本发明实施例中，为了保证弹性应变层20与金属承载结构10的粘接性，在金属承载结构10表面涂刷胶粘剂之前，所述金属承载结构10表面还进行以下预处理：金属承载结构10表面进行喷砂处理并用丙酮擦拭干净。

作为本发明一种实施例，为了更好地缓解应力集中现象，所述缝隙结构40至少为两个，且至少为两个的所述缝隙结构40间隔设置。

本领域技术人员应当理解，可根据实际需要设置上述至少为两个的缝隙结构40的位置关系。

作为本发明一种实施例，如图4所示，沿所述外防热层30的预浸料的厚度方向且远离所述弹性应变层20方向，所述缝隙结构40的横截面积逐渐增加。应用此种配置方式，通过将缝隙结构40的横截面积设置为沿所述外防热层30的预浸料的厚度方向且远离所述弹性应变层20方向为逐渐增加，即将所述缝隙设计为斜缝结构，增加了对接面积，保证了对接固化后的材料的力学性能。

作为本发明一种实施例，所述金属承载结构10的材质可以为铝合金、钛合金或者钢材类；所述弹性应变层20为橡胶应变层，其材质可以为丁腈橡胶、硅橡胶或聚氨酯橡胶。此外，本领域技术人员应当理解，上述的材质并不限于本实施例所列举种类。

作为本发明一种实施例，为了保证外防热层30的抗烧蚀性能，所述外防热层30的预浸料选自石英/酚醛预浸料、高硅氧/酚醛预浸料、石英酚醛混编织物/酚醛预浸料及石英/腈基预浸料、高硅氧/腈基预浸料及石英酚醛混编织物/腈基预浸料中的任一种。

优选的，上述的预浸料优选为酚醛树脂复合的预浸料。

作为本发明一种实施例，上述的胶粘剂的种类的选择依据是：胶粘剂固化制度与上述预浸料的固化制度一致即可。

本实施例中，所述胶粘剂选自环氧胶粘剂、酚醛类胶粘剂、酚醛/橡胶类胶粘剂及酚醛/环氧类胶粘剂中的任一种。

优选的，所述胶粘剂为酚醛/环氧类胶粘剂，此类胶粘剂既可以保证与金属承载结构10的粘接性能又能保证与外防热层30的粘接性能。

作为本发明一种实施例，为了操作的简便性，所述步骤2和3中，采用热压罐固化工艺进行固化。

根据另一实施例，还提供一种大尺寸异型结构/防热一体化构件，所述一体化构件采用上述的成型方法制备得到。

本发明实施例中，所述一体化结构可以为飞行器舱段，所述金属承载结构10为金属舱体。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。

需求：制作一个结构-防热一体化的复合材料舱段，最大端直径为1700mm，高度为1800mm，其中承载结构为钛合金舱体，厚度为10mm，防热层为石英/酚醛复合材料，厚度为15mm。

结构-防热一体化复合材料舱段整体成型工艺的具体实施过程如下：

第一步：钛合金舱体表面喷砂，丙酮擦拭干净后，涂刷酚醛-丁腈胶粘剂，晾置十分钟，将橡胶应变层整体铺覆于金属舱体表面；

第二步：在橡胶应变层负曲率型面设置应力释放渠道，留出对接缝区域，按照厚度要求，进行除对接缝区域的大面积外防热层30的预浸料整体平铺；

第三步：大面积防热层的预浸料整体平铺结束后，在热压罐中，按照石英/酚醛预浸料的固化工艺进行固化；

第四步：固化结束，打磨所形成对接缝隙结构，用预浸料整体铺层，以填补缝隙；

第五步：对接缝隙结构铺层结束后，在热压罐中，按照石英/酚醛预浸料的固化工艺进行固化；

第六步：冷却后脱模，获得结构-防热一体化的复合材料构件。

本发明实施例方法方法解决了传统成型方式制备大尺寸复杂异型结构-防热一体化构件时，外防热层易于金属舱体发生脱粘的问题。该成型方法具有良好的工艺稳定性和可操作性，能有效保证外防热层的整体性及可靠性，在大尺寸复杂异型结构-防热一体化构件中具有良好的示范效应和推广应用价值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法，所述一体化构件包括金属承载结构，以及设置在所述金属承载结构外侧表面的外防热层，所述金属承载结构为异形结构，具有正曲率型面和负曲率型面，其特征在于，所述一体化构件的成型方法包括：

步骤1、获取第一中间结构件，

对所述金属承载结构表面进行预处理并涂刷胶粘剂，然后将弹性应变层整体铺覆于涂刷有胶粘剂的金属承载结构表面即得，其中，铺覆完成后的弹性应变层具有与所述金属承载结构相对应的负曲率型面；

步骤2、获取第二中间结构件，包括：

2.1在所述第一中间结构件的弹性应变层表面涂刷所述胶粘剂，且弹性应变层的负曲率型面上还设置至少一个区域不涂刷所述胶粘剂；

2.2在涂刷有胶粘剂的弹性应变层表面铺覆所述外防热层的预浸料；

2.3将铺覆结束后的结构进行固化即得，其中，所得第二中间结构件中，所述不涂刷胶粘剂的至少一个区域形成至少一个缝隙结构；

步骤3、基于所述第二中间结构件，在所述至少一个缝隙结构的内表面上涂刷胶粘剂，采用与所述步骤2中相同的铺层方向对所述缝隙结构进行所述外防热层的预浸料铺覆，铺覆结束后进行整体固化，然后冷却脱模即得。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法，其特征在于：所述缝隙结构至少为两个，且至少为两个的所述缝隙结构间隔设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法，其特征在于：沿所述外防热层的预浸料的厚度方向且远离所述弹性应变层方向，所述缝隙结构的横截面积逐渐增加。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法，其特征在于：所述金属承载结构的材质为铝合金、钛合金或者钢材类；所述弹性应变层的材质为丁腈橡胶、硅橡胶或聚氨酯橡胶。

5.根据权利要求1所述的一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法，其特征在于：所述外防热层的预浸料选自石英/酚醛预浸料、高硅氧/酚醛预浸料、石英酚醛混编织物/酚醛预浸料及石英/腈基预浸料、高硅氧/腈基预浸料及石英酚醛混编织物/腈基预浸料中的任一种。

6.根据权利要求5所述的一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法，其特征在于：所述胶粘剂选自环氧胶粘剂、酚醛类胶粘剂、酚醛/橡胶类胶粘剂及酚醛/环氧类胶粘剂中的任一种。

7.根据权利要求6所述的一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法，其特征在于：所述胶粘剂为酚醛/环氧类胶粘剂。

8.根据权利要求1所述的一种大尺寸异型结构/防热一体化构件成型方法，其特征在于：所述步骤2和3中，采用热压罐固化工艺进行固化。

9.一种大尺寸异型结构/防热一体化构件，其特征在于：所述一体化构件采用权利要求1-8任一项所述的成型方法制备得到。

10.根据权利要求9所述的一种大尺寸异型结构/防热一体化构件，其特征在于：所述一体化构件为飞行器舱段，所述金属承载结构为金属舱体。

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