CN112810187A - 一种喷管扩张段及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种喷管扩张段及其成型方法，属于复合材料成型技术领域，所述方法包括，获得包括碳布和纤维布缝合在一起的双层材料预制体；将所述双层材料预制体置于模具中并注胶后，在50‑170℃的温度下进行固化处理6‑10h；将所述固化处理后的预制体脱模，获得喷管扩张段。本发明提供的成型方法不需要将高压作用在外侧的胶套上，克服了内层复合材料在成型过程中易出现的分层、开裂、微裂纹等现象，极大改善了双层复合材料制品的内部质量；该方法简单，对设备要求不高，成本低，简单易推广。
Description
技术领域
本发明属于复合材料成型技术领域，尤其涉及一种喷管扩张段及其成型方法。
背景技术
火箭发动机某分系统的喷管扩张段的外形是一端直径大，另一端直径小的喇叭状喷管，其内层为浸渍酚醛的碳布，外层为浸渍酚醛的高硅氧布的双层梯度复合材料，该复合材料的传统成型方式是由碳布和高硅氧布各自制备成酚醛预浸布，再将浸渍酚醛的碳布缠绕在凸模上，然后将浸渍酚醛的高硅氧布缠绕在碳布的外边，最后在高硅氧布外套胶套，置于液压釜内，在高温、高压和真空下固化，最后机械加工成型，从而达到内层抗烧蚀，外层绝热的目的。这种扩张段的成型方法需要将高压作用在外侧的胶套上，因此对设备的要求高，成本高。
发明内容
本发明提供了一种喷管扩张段及其成型方法，以解决传统的缠绕成型方法需要在高压作用下进行成型，造成对设备要求高，从而成本高的技术问题。
一方面，本发明提供了一种喷管扩张段的成型方法，所述方法包括，
获得包括碳布和纤维布缝合在一起的双层材料预制体；
将所述双层材料预制体置于模具中并注胶后，在50-170℃的温度下进行固化处理6-10h；
将所述固化处理后的预制体脱模，获得喷管扩张段。
进一步地，
所述固化处理包括第一加热、第二加热、第三加热、第四加热和第五加热，其中，所述第一加热中，加热温度为85-95℃，保温时间为0.8-1.2h；第二加热中，加热温度为105-115℃，保温时间为1.5-2.5h；第三加热中，加热温度为125-135℃，保温时间为1.5-2.5h；第四加热中，加热温度为145-155℃，保温时间为1.5-2.5h；第五加热中，加热温度为165-175℃，保温时间为1.5-2.5h。
进一步地，所述注胶温度为70-80℃，所述注胶压强为0.1-0.8MPa。
进一步地，所述注胶过程中，注胶压强依次按照0.2MPa-0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa的阶梯增加规律执行，每个注胶压强值的执行时间为25-35min。
进一步地，所述获得包括碳布和纤维布缝合在一起的双层材料预制体，包括，
将碳布沿型面逐层铺层，获得内层；
在所述内层外包覆纤维布，并用纤维缝合线将内层和所述内层外包覆的纤维布缝合为一体，获得过渡层；
在过渡层外包覆纤维布，获得连接层；
在所述连接层外包覆纤维布，并用纤维缝合线将所述过渡层、连接层和所述连接层外包裹的纤维布缝合为一体，并进行预处理，获得包括碳布和纤维布缝合在一起的双层材料预制体。
进一步地，所述碳布的宽度为20-110mm，所述内层的厚度为3-14mm，所述过渡层的厚度为1-3mm，所述连接层的厚度为3-5mm。
进一步地，所述缝合方式为如下至少一种：锁式缝合、斜缝缝合、单边缝合和勾连缝合。
进一步地，所述预处理过程中，加热温度为90-110℃，保温时间为1.5-2.5h。
进一步地，所述模具包括凸模和凹模。
另一方面，本发明还提供了一种喷管扩张段，所述喷管扩张段采用上述的一种喷管扩张段的成型方法获得。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供了一种喷管扩张段及其成型方法，该成型方法包括如下步骤，首先，获得包括碳布和纤维布缝合在一起的双层材料预制体，然后将双层材料预制体置于模具中并注胶后，在50-170℃的温度下进行固化处理6-10h后脱模，获得喷管扩张段。这种方法制得的扩张段由于采用缝合后的碳布和纤维布进行缝合，然后置于模具中，然后加胶固化，因此相较于传统的缠绕后加压成型的方式相比，不需要将高压作用在外侧的胶套上，且预制体本身两种材料通过缝合紧压在了一起，通过固化处理，使得扩张段内层抗烧蚀，外层绝热；并且还可以克服了内层复合材料在成型过程中易出现的分层、开裂、微裂纹等现象，极大改善了双层复合材料制品的内部质量；该方法简单，对设备要求不高，成本低，简单易推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种喷管扩张段的成型方法工艺图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一方面，本发明提供了一种喷管扩张段的成型方法，结合图1，所述方法包括，
S1，获得包括碳布和纤维布缝合在一起的双层材料预制体；
S2，将所述双层材料预制体置于模具中并注胶后，在50-170℃的温度下进行固化处理6-10h；
S3，将所述固化处理后的预制体脱模，获得喷管扩张段。
上述的方法制得的扩张段由于采用缝合后的碳布和纤维布进行缝合，然后置于模具中，采用了RTM(树脂传递模塑)工艺进行成型，因此相较于缠绕方式，不需要将高压作用在外侧的胶套上，且预制体本身两种材料通过缝合紧压在了一起，通过固化处理，使得扩张段内层抗烧蚀，外层绝热。上述的纤维布可以是高硅玻璃纤维布。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述固化处理过程中，所述固化处理包括第一加热、第二加热、第三加热、第四加热和第五加热，其中，所述第一加热中，加热温度为85-95℃，保温时间为0.8-1.2h；第二加热中，加热温度为105-115℃，保温时间为1.5-2.5h；第三加热中，加热温度为125-135℃，保温时间为1.5-2.5h；第四加热中，加热温度为145-155℃，保温时间为1.5-2.5h；第五加热中，加热温度为165-175℃，保温时间为1.5-2.5h。
通过分阶段升温和保温可以实现预制体和胶之间的逐步固化，因为酚醛树脂中有较多酒精等小分子气体，直接高温固化，产品中的小分子气体来不及挥发溢出，留在产品内部易形成疏松缺陷。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述注胶温度为70-80℃，所述注胶压强为0.1-0.8MPa。注胶温度过低，压强过低，树脂粘度大，注胶过程太缓慢，导致注胶时间太长，影响生产效率；注胶温度太高，压强太高，树脂粘度小，注胶过程太苦逼，产品内部易有注胶注不到的位置，形成干纤维区。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述注胶过程中，注胶压强依次按照
0.2MPa-0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa的阶梯增加规律执行，每个注胶压强值的执行时间为25-35min。注胶压强阶梯升高即可保证产品内部能够注透，又能保证注胶时间不至于太长。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述注胶所用材料为酚醛树脂。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述获得包括碳布和纤维布缝合在一起的双层材料预制体，包括，
将碳布沿型面逐层铺层，获得内层；
在所述内层外包覆纤维布，并用纤维缝合线将内层和所述内层外包覆的纤维布缝合为一体，获得过渡层；
在过渡层外包覆纤维布，获得连接层；
在所述连接层外包覆纤维布，并用纤维缝合线将所述过渡层、连接层和所述连接层外包裹的纤维布缝合为一体，并进行预处理，获得包括碳布和纤维布缝合在一起的双层材料预制体。
在上述的包覆过程中，应施加0.1-1MPa的压强，以使预制体的相邻层的碳布之间、相邻层的碳布与纤维布之间以及相邻层纤维布之间紧实；并且包覆的过程中碳布应与凸模的母线方向一致，纤维布与凸模的母线方向一致。本发明中，凸模为圆台形。缝合可以采用层间Z向缝合方式，可以克服了从传统的缠绕方式内层材料层间结合力弱，在固化加工过程中易出现分层、开裂、微裂纹等现象，极大改善了双层复合材料制品的内部质量。另外，也可以通过穿刺的方式实现碳布和纤维布的缝合。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述碳布的宽度为20-110mm，所述内层的厚度为3-14mm，所述过渡层的厚度为1-3mm，所述连接层的厚度为3-5mm。在实际中内层也可以根据大端和小端采用不同的厚度，小端的厚度可以为8-14mm，大端的厚度可以为3-6mm，小端的厚度厚因此其抗烧蚀性好，大端的厚度小，因此其抗烧蚀性低于小端，符合喷管扩张段的抗烧蚀性要求。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述缝合方式为如下至少一种：锁式缝合、斜缝缝合、单边缝合和勾连缝合。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述预处理过程中，加热温度为90-110℃，保温时间为1.5-2.5h。加热和保温可以去除产品表面的水汽，保证树脂与纤维的粘接质量。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述模具包括凸模和凹模。在固化的过程中凹模套在预制体的外部。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述模具的内表面上喷涂有脱模剂，脱模剂可以是PMR，以利于脱模，且不损害扩展段的表面。
另一方面，本发明实施例还提供了一种喷管扩张段，所述喷管扩张段采用上述的一种喷管扩张段的成型方法获得。
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本发明的一种喷管扩张段及其成型方法进行详细说明。
实施例1
实施例1提供了一种喷管扩张段及其成型方法，具体如下：
一、预制体制备：预制体制备步骤：采用碳布、高硅氧布按设计厚度要求依次在型面上铺层并用纤维缝合线穿刺、缝合，形成双层材料预制体；
二、模具处理步骤：将凹模的表面清洗干净后，喷涂一层PMR脱模剂，然后在170℃下保温2h的时间；
三、预制体预热步骤：将步骤一的预制体放入到烘箱加热设备中，在100℃的温度下保温2h的时间；
四、模具初装步骤：将凸模上的密封槽上填入密封绳，并与模具底板连接为一体；
五、预制体套装步骤：将制备完成的预制体从凸模小端向大端进行套装、装模，使预制体完全包覆在凸模型面表面，套装到位。必要时可采用同产品外型面的预压模对预制体外型面进行预压，保证预制体与凸模套装到位；
六、修型步骤：根据套装(或预压)效果，将多余(或不足)的预制体进行修剪(或用同种纤维进行填补)，然后重复预压(或采用样板检测)、修剪(或用同种纤维进行填补)操作，直至预制体外型满足要求；
七、模具合模步骤：将凹模表面的密封槽上填入密封绳，套入到预制体外表面；将凸模和凹模合模、连接为一体，并将注胶接头、出胶接头与模具连接到位；
八、注胶步骤：将模具上的注胶接头与注胶机连接，设定注胶温度75℃，启动注胶机进行注胶工作。注胶过程中，注胶压力按0.2Mpa(30min)→注胶压力按0.4Mpa(30min)→注胶压力按0.6Mpa(30min)→注胶压力按0.8Mpa(30min)执行。待出胶口溢出的胶液中无气泡后，再注胶5h后停止；
九、固化步骤：将模具放入烘箱(或其他加热设备)中按照固化制度(65℃→93℃(保温1h)→115℃(保温1h)→133℃(保温2h)→152℃(保温2h)→175℃(保温2h)→降温至50℃出炉进行固化；
十、脱模步骤：按照合模的反顺序拆卸开模具，用脱模架将产品从凸模上脱下，打磨清理产品分型面位置飞边，获得喷管扩张段。
经过检查实施例1成型后的喷管扩张段内外表面质量良好。
实施例2
实施例2提供了一种喷管扩张段及其成型方法，具体如下：
一、预制体制备：
内层铺层步骤：将碳布带沿模具(材质：木质)型面进行逐层铺层(或缠绕)，布带铺层(或缠绕)方向与模具轴线方向一致；铺层(或缠绕)过程中需有一定铺层压力(或缠绕张力)至布层密实(纤维体积分数需达到相关要求)；
过渡层铺层缝合步骤：将满足厚度要求的碳层表面包覆2mm厚度的高硅氧玻璃纤维布带，用碳纤维纱将内层与过渡层缝合为一体，缝合方式：锁式缝合，缝合针距：3*3；
连接层铺层缝合步骤：在过渡层外表面用外层纤维布包覆3mm，包覆过程中，需采用石英玻璃纤维纱逐层进行缝合(缝合方式：勾连缝合)，并且石英纤维缝合线不得进入到内层中；
本体层铺层缝合步骤：按照外层剩余厚度要求，用高硅氧玻璃纤维布带包覆至厚度要求，然后用石英玻璃纤维纱将剩余层与外层缝合为一体(缝合方式：斜缝，缝合针距：6*6)，并且石英玻璃纤维纱不得进入到内层中；
外层修剪步骤：按照产品形状，用切刀等工具将预制体外形修剪至符合产品尺寸要求。
二、模具处理步骤：将模具的表面清洗干净后，喷涂一层PMR脱模剂，然后在110℃下处理2h；
三、预制体预热步骤：将步骤一的预制体放入到烘箱等加热设备中，在110℃下处理2h；
四、模具初装步骤：将凸模上的密封槽上填入密封绳，并与模具底板连接为一体；
五、预制体套装步骤：将制备完成的预制体从凸模小端向大端进行套装、装模，使预制体完全包覆在凸模型面表面，套装到位。必要时可采用同产品外型面的预压模对预制体外型面进行预压，保证预制体与凸模套装到位；
六、修型步骤：根据套装(或预压)效果，将多余(或不足)的预制体进行修剪(或用同种纤维进行填补)，然后重复预压(或采用样板检测)、修剪(或用同种纤维进行填补)操作，直至预制体外型满足要求；
七、模具合模步骤：将凹模表面的密封槽上填入密封绳，套入到预制体外表面；将凸模和凹模合模、连接为一体，并将注胶接头、出胶接头与模具连接到位；
八、注胶步骤：将注胶接头与注胶机连接，设定注胶温度78℃，启动注胶机进行注胶工作。注胶过程中，注胶压力按0.2Mpa(30min)→注胶压力按0.4Mpa(30min)→注胶压力按0.6Mpa(30min)→注胶压力按0.8Mpa(30min)执行。待出胶口溢出的胶液中无气泡后，再注胶5h后停止；
九、固化步骤：将模具放入烘箱(或其他加热设备)中按照固化制度(65℃→90℃(保温1h)→110℃(保温1h)→130℃(保温2h)→150℃(保温2h)→170℃(保温2h)→降温至50℃出炉)进行固化；
十、脱模步骤：按照合模的反顺序拆卸开模具，用脱模架将产品从凸模上脱下，打磨清理产品分型面位置飞边，获得喷管扩张段。
经过检查实施例2成型后的喷管扩张段内外表面质量良好。
实施例3
实施例3提供了一种喷管扩张段及其成型方法，具体如下：
一、预制体制备：
将3K碳布和石英玻璃纤维布分别按照产品形状计算出的布带宽度进行裁切；
内层铺层步骤：将碳布带沿模具(材质：铝质)型面进行逐层铺层(或缠绕)，布带铺层(或缠绕)方向与模具轴线方向一致；铺层(或缠绕)过程中需有一定铺层压力(或缠绕张力)至布层密实(纤维体积分数需达到相关要求)；
过渡层铺层缝合步骤：将满足厚度要求的碳层表面包覆1mm厚度的石英玻璃纤维布带，用碳纤维纱将内层与过渡层缝合为一体，缝合方式：锁式缝合，缝合针距：4*4；
连接层铺层缝合步骤：在过渡层外表面用外层纤维布包覆4mm，包覆过程中，需采用石英玻璃纤维纱逐层进行缝合(缝合方式：勾连缝合)，并且石英纤维缝合线不得进入到内层中；
本体层铺层缝合步骤：按照外层剩余厚度要求，用石英玻璃纤维布带包覆至厚度要求，然后用石英玻璃纤维纱将剩余层与外层缝合为一体(缝合方式：斜缝，缝合针距：8*8)，并且石英玻璃纤维纱不得进入到内层中；
外层修剪步骤：按照产品形状，用切刀等工具将预制体外形修剪至符合产品尺寸要求。
二、模具处理步骤：将模具的表面清洗干净后，喷涂一层PMR脱模剂，然后在150℃下处理2h；
三、预制体预热步骤：将步骤一的预制体放入到烘箱等加热设备中，在105℃下处理2h；
四、模具初装步骤：将凸模上的密封槽上填入密封绳，并与模具底板连接为一体；
五、预制体套装步骤：将制备完成的预制体从凸模小端向大端进行套装、装模，使预制体完全包覆在凸模型面表面，套装到位。必要时可采用同产品外型面的预压模对预制体外型面进行预压，保证预制体与凸模套装到位；
六、修型步骤：根据套装(或预压)效果，将多余(或不足)的预制体进行修剪(或用同种纤维进行填补)，然后重复预压(或采用样板检测)、修剪(或用同种纤维进行填补)操作，直至预制体外型满足要求；
七、模具合模步骤：将凹模表面的密封槽上填入密封绳，套入到预制体外表面；将凸模和凹模合模、连接为一体，并将注胶接头、出胶接头与模具连接到位；
八、注胶步骤：将注胶接头与注胶机连接，设定注胶温度72℃，启动注胶机进行注胶工作。注胶过程中，注胶压力按0.2Mpa(30min)→注胶压力按0.4Mpa(30min)→注胶压力按0.6Mpa(30min)→注胶压力按0.8Mpa(30min)执行。待出胶口溢出的胶液中无气泡后，再注胶5h后停止；
九、固化步骤：将模具放入烘箱(或其他加热设备)中按照固化制度(65℃→83℃(保温1h)→107℃(保温1h)→128℃(保温2h)→146℃(保温2h)→168℃(保温2h)→降温至50℃出炉)进行固化；
十、脱模步骤：按照合模的反顺序拆卸开模具，用脱模架将产品从凸模上脱下，打磨清理产品分型面位置飞边，获得喷管扩张段。
经过检查实施例3成型后的喷管扩张段内外表面质量良好。
本发明提供了一种喷管扩张段及其成型方法，先采用碳布和纤维缝合的方法制得双层材料预制体，然后将双层材料预制体置于模具中并注胶后，在50-170℃的温度下进行固化处理6-10h后脱模，获得喷管扩张段。这种方法制得的扩张段由于采用缝合后的碳布和纤维布进行缝合，然后置于模具中，采用了RTM(树脂传递模塑)工艺进行成型，因此相较于缠绕方式，不需要将高压作用在外侧的胶套上，且预制体本身两种材料通过缝合紧压在了一起，通过固化处理，使得扩张段内层抗烧蚀，外层绝热；并且还可以克服了内层复合材料在成型过程中易出现的分层、开裂、微裂纹等现象，极大改善了双层复合材料制品的内部质量；该方法简单，对设备要求不高，成本低，简单易推广。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种喷管扩张段的成型方法，其特征在于，所述方法包括，
获得包括碳布和纤维布缝合在一起的双层材料预制体；
将所述双层材料预制体置于模具中并注胶后，在50-170℃的温度下进行固化处理6-10h；
将所述固化处理后的预制体脱模，获得喷管扩张段。
2.根据权利要求1所述的一种喷管扩张段的成型方法，其特征在于，所述固化处理包括第一加热、第二加热、第三加热、第四加热和第五加热，其中，所述第一加热中，加热温度为85-95℃，保温时间为0.8-1.2h；所述第二加热中，加热温度为105-115℃，保温时间为1.5-2.5h；所述第三加热中，加热温度为125-135℃，保温时间为1.5-2.5h；所述第四加热中，加热温度为145-155℃，保温时间为1.5-2.5h；所述第五加热中，加热温度为165-175℃，保温时间为1.5-2.5h。
3.根据权利要求1所述的一种喷管扩张段的成型方法，其特征在于，所述注胶温度为70-80℃，所述注胶压强为0.1-0.8MPa。
4.根据权利要求3所述的一种喷管扩张段的成型方法，其特征在于，所述注胶过程中，注胶压强依次按照0.2MPa-0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa的阶梯增加规律执行，每个注胶压强值的执行时间为25-35min。
5.根据权利要求1所述的一种喷管扩张段的成型方法，其特征在于，所述获得包括碳布和纤维布缝合在一起的双层材料预制体，包括，
将碳布沿型面逐层铺层，获得内层；
在所述内层外包覆纤维布，并用纤维缝合线将内层和所述内层外包覆的纤维布缝合为一体，获得过渡层；
在过渡层外包覆纤维布，获得连接层；
在所述连接层外包覆纤维布，并用所述纤维缝合线将所述过渡层、连接层和所述连接层外包裹的纤维布缝合为一体，并进行预处理，获得包括碳布和纤维布缝合在一起的双层材料预制体。
6.根据权利要求5所述的一种喷管扩张段的成型方法，所述碳布的宽度为20-110mm，所述内层的厚度为3-14mm，所述过渡层的厚度为1-3mm，所述连接层的厚度为3-5mm。
7.根据权利要求5所述的一种喷管扩张段的成型方法，其特征在于，所述缝合方式为如下至少一种：锁式缝合、斜缝缝合、单边缝合和勾连缝合。
8.根据权利要求5所述的一种喷管扩张段的成型方法，其特征在于，所述预处理过程中，加热温度为90-110℃，保温时间为1.5-2.5h。
9.根据权要求1所述的一种喷管扩张段的成型方法，其特征在于，所述模具包括凸模和凹模。
10.一种喷管扩张段，其特征在于，所述喷管扩张段采用权利要求1-9任一项所述的一种喷管扩张段的成型方法获得。
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| FR2628448A1 (fr) * | 1988-03-14 | 1989-09-15 | Chomarat & Cie | Armature textile utilisable pour la realisation de complexes stratifies et complexes stratifies en forme comportant une telle armature |
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2020
- 2020-12-31 CN CN202011636993.3A patent/CN112810187A/zh active Pending
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