CN113183370B - 一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置及方法，包括压力罐、油桶、芯模、缠绕体、第一导热油、第二导热油、第一循环控温装置和第二循环控温装置；油桶设置在压力罐内部，油桶内填充有第二导热油，芯模浸没在第二导热油中，缠绕体缠绕设置在芯模上；芯模为中空密封芯模，芯模内设置有第一导热油；第一循环控温装置与油桶内部连通，第二循环控温装置与芯模内部连通。能使预浸胶布带缠绕体的固化过程由内而外逐渐进行，树脂中的挥发分都有机会和足够的时间被抽出，借助压力罐的压力可使尚未固化的部分能够及时的填充酚醛树脂固化过程中的体积收缩，从而避免产品出现气泡和分层的缺陷。

Description

一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置及方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置及方法。
背景技术
厚壁湿法布带缠绕件在固化过程中极易出现层间开裂的问题，虽然之前有许多人专门对此进行研究，但仍没有很好地解决。究其原因是火箭喷管和再入式弹头的防热结构都需要使用耐热性和残碳率较高的酚醛树脂，由于固化过程中会有较大量的挥发性小分子产物释放出来并裹挟树脂一起流出，酚醛树脂的体积会发生收缩，当采用等温固化时缠绕体内外几乎是同时进行固化的，部分挥发性小分子的逃逸通道可能会被周围固化的树脂封闭而形成气泡，也可能会出现外侧先行固化后不能向内收缩填充内侧固化造成的收缩而出现分层；还可能因吸胶棉用的过多和工艺参数不当造成过多的胶液被吸出，导致因缺胶而出现分层。虽然人们也尝试过采用由内而外加热的芯模固化，也因为热量在缠绕体上传递所消耗的时间远小于固化反应需要的时间，而没有实质效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置及方法，以解决针对大型喷管扩散段因酚醛在固化过程中的收缩率较大和现有固化过程加热方式存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置，包括压力罐、油桶、芯模、缠绕体、第一导热油、第二导热油、第一循环控温装置和第二循环控温装置；油桶设置在压力罐内部，油桶内填充有第二导热油，芯模浸没在第二导热油中，缠绕体缠绕设置在芯模上；芯模为中空密封芯模，芯模内设置有第一导热油；第一循环控温装置与油桶内部连通，第二循环控温装置与芯模内部连通。
进一步的，第一循环控温装置包括温控器、第二油泵、储油槽、溢流管和进油管；储油槽设置在油桶侧面，溢流管的一端连接油桶顶部，另一端连接到储油槽顶部，进油管的一端连接储油槽的底部，另一端连接油桶的底部；进油管上设置有第二油泵和温控器。
进一步的，储油槽位于压力罐内部或外部。
进一步的，第二循环控温装置包括温控器、加热装置储油槽、加热装置进油管和出油管；加热装置储油槽设置在压力罐外侧；出油管的两端分别连通芯模和热装置储油槽；加热装置进油管的两端分别连通芯模和热装置储油槽；温控器设置在出油管或者进油管上。
进一步的，温控器设置在进油管上时，进油管上设置第一油泵，进油管的两端分别伸进芯模和热装置储油槽的底部；出油管的两端分别位于芯模和热装置储油槽的顶部。
进一步的，温控器设置在出油管上时，出油管和进油管上均设置有第一油泵；进油管的一端伸进芯模底部，另一端位于加热装置储油槽顶部；出油管的一端伸进加热装置储油槽底部，另一端位于芯模顶部。
进一步的，芯模的顶部采用吸胶棉包裹，并在最顶部设有抽气管；芯模的下端设置有保温材料。
进一步的，缠绕体外侧包裹有耐热塑料薄膜。
进一步的，芯模内设置油位传感器。
进一步的，一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置的具有可控温度梯度热场的渐进式固化方法，包括以下步骤：
将密封隔离处理好的缠绕体安置在油桶底部的支撑座上，再将油桶放入压力罐，并给压力罐加压；
通过第一循环控温装置和第二循环控温装置控制芯模内部和油桶的油温，使缠绕体自内而外形成内热外凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照时间顺序由内而外地进行；
当缠绕体整体温度都达到了设定的最高固化温度后继续保持，使缠绕体外侧的材料完全固化；
然后给压力罐减压至常压，抽出芯模里的导热油和油桶里里的导热油，自然冷却后出炉。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明采用径向、轴向混合温度梯度热场的渐进式固化工艺，将缠绕体整体浸没在可控温导热油的油桶中并放入压力罐，通过控制芯模和油桶中的油温以及控制芯模中的油位，使缠绕体自内而外形成内热外凉、下热上凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照设计的时间顺序由内而外、自下而上的进行，由于缠绕体上部的温度较低，固化反应进行的缓慢，固化过程中产生的挥发分可以有足够的时间逃逸，固化过程中酚醛树脂的体积会发生收缩，而外部未固化部分在压力作用下不断向内挤压填充，当缠绕体整体温度都达到最高固化温度后继续保持一定时间，使缠绕体外侧和顶部的材料完全固化，然后给压力罐减压至常压，抽出芯模和油桶里的导热油，自然冷却后出炉，完成固化，能使预浸胶布带缠绕体的固化过程由内而外逐渐进行，树脂中的挥发分都有机会和足够的时间被抽出，借助压力罐的压力可使尚未固化的部分能够及时的填充酚醛树脂固化过程中的体积收缩，从而避免产品出现气泡和分层的缺陷。
附图说明
图1为本发明径向可控温度梯度热场的渐进式固化工艺设施示意图；
图2为本发明径向纵向均可控温度梯度热场的渐进式固化工艺设施示意图；
其中：油桶20、压力罐19、芯模1、缠绕体2、第一导热油6、第二导热油9、进油管10、溢流管11、进油管7、出油管8、储油槽17、温控器15和油泵16、温控器12、第一油泵13及其加热装置储油槽14、保温材料4、吸胶棉3、抽气管21、耐热塑料薄膜5、油位传感器22。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1和图2，本发明一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化工艺，是将缠绕体2整体浸没在可控温导热油的油桶20中并放入压力罐19，通过控制芯模1和油桶20中的油温，使缠绕体2自内而外形成内热外凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照设计的时间顺序由内而外地进行，固化反应首先从缠绕体2内部开始，固化过程中随着挥发分的逃逸，酚醛树脂的体积会发生收缩，而外部未固化部分在压力作用下不断向内挤压填充，当缠绕体2整体温度都达到最高固化温度后继续保持一定时间，使缠绕体2外侧的材料完全固化，然后给压力罐19减压至常压，抽出芯模1和油桶20里的导热油6和导热油9，自然冷却后出炉。
进一步，油桶20内进油管10的管口设在油桶底部，溢流管11的管口设在油桶20的上部；芯模1内的进油管7管口设在芯模内下方，出油管8管口设在顶部。
进一步，油桶20及其相关的储油槽17都设置在压力罐19内，连接油桶进油管10的温控器15和油泵16设置在压力罐19的外面。与芯模的进油管7、出油管8连接的温控器12、油泵13及其储油槽14都置于压力罐19的外侧。
进一步，在固化前需要对缠绕在芯模1上的缠绕体2和芯模1进行隔离处理，在芯模1的下端由保温材料4进行绝热，在芯模1的上端采用吸胶棉3包裹并连接在最顶部设有抽气管21的管口，最后采用导热性良好的耐热塑料薄膜5从外面进行整体气密包裹。
进一步，在芯模1的上端包裹的吸胶棉3的外侧或内部加入承压能力较好的金属圈或网架。
固化温控程序：
1、对缠绕在芯模1上的缠绕体2和芯模1进行密封隔离处理，在芯模1的下端由保温材料4进行绝热，在芯模1的上端采用吸胶棉3包裹并连接在最顶部设有抽气管21的管口，最后采用导热性良好的耐热塑料薄膜5从外面进行整体气密包裹。然后将已密封隔离处理好的缠绕体安置在油桶20底部的支撑座上，将油桶20装入压力罐1，连接相应的管道后，将压力罐1的门封闭。
2、开始进行固化程序：
a)开动真空泵对包裹喷管缠绕件2的真空膜5内侧抽气并一直保持到步骤g)开始之前；
b)压力罐加压0.1Mpa，给油桶20注入常温热导热油9、给芯模内部注入70℃热导热油6、保持上述状态直至油桶内的油温≧65℃后继续保持4h，缠绕体内外温度平衡至70℃；
c)压力罐19保压0.1Mpa，油桶20的导热油9保持70℃、给芯模内部导热油6以160℃/h的速率升温至120℃；
d)压力罐19加压至2.5Mpa，芯模1内部导热油6保温120℃，油桶20的导热油9以80℃/h的速率升温至120℃后，保持1.5h；
e)压力罐19保压2.5Mpa，油桶20的导热油9保持120℃、给芯模1内部导热油6以160℃/h的速率升温至160℃；
f)压力罐19保压2.5Mpa，油桶20的导热油9以80℃/h的速率升温至160℃后，保持1.5h；
g)压力罐19保压2.5Mpa，停止给芯模1内部循环供给导热油6，给油桶20注入≯30℃的导热油9进行冷却；
h)待灌内温度≦40℃时，压力罐19缓慢降压，内外压力平衡后出炉。
实施例1
参阅图1，本发明一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化工艺，是将缠绕体2整体浸没在可控温导热油的油桶20中并放入压力罐19，通过控制芯模1和油桶20中的油温，使缠绕体2自内而外形成内热外凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照设计的时间顺序由内而外地进行，固化反应首先从缠绕体2内部开始，固化过程中随着挥发分的逃逸，酚醛树脂的体积会发生收缩，而外部未固化部分在压力作用下不断向内挤压填充，当缠绕体2整体温度都达到最高固化温度后继续保持一定时间，使缠绕体2外侧的材料完全固化，然后给压力罐19减压至常压，抽出芯模1和油桶20里的导热油6和导热油9，自然冷却后出炉。
为使油桶20和芯模1内的导热油温度均匀，油桶20内进油管10的管口设在油桶底部，溢流管11的管口设在油桶20的上部；芯模1内的进油管7管口设在芯模内下方，出油管8管口设在顶部。
考虑到节能和成本等因素，油桶20及其相关的储油槽17都设置在压力罐19内，连接油桶进油管10的加热/温控器15和油泵16设置在压力罐19的外面，这样只要加热/温控器15和油泵16的结构件能承受压力罐的压力，而不必要求油泵16能够输出很高的压力。同理，与芯模的进油管7、出油管8连接的温控器12、油泵13及其储油槽14都置于压力罐19的外侧。
在固化前需要对缠绕在芯模1上的缠绕体2和芯模1进行隔离处理，在芯模1的下端由保温材料4进行绝热，在芯模1的上端采用吸胶棉3包裹并连接在最顶部设有抽气管21的管口，最后采用导热性良好的耐热塑料薄膜5从外面进行整体气密包裹。
为防止压力罐19加压后吸胶棉3被压缩的厉害而使其的吸胶能力大幅下降，可在芯模1的上端包裹的吸胶棉3的外侧或内部加入承压能力较好的金属圈或网架。
固化温控程序：
1、对缠绕在芯模1上的缠绕体2和芯模1进行密封隔离处理，在芯模1的下端由保温材料4进行绝热，在芯模1的上端采用吸胶棉3包裹并连接在最顶部设有抽气管21的管口，最后采用导热性良好的耐热塑料薄膜5从外面进行整体气密包裹。然后将已密封隔离处理好的缠绕体安置在油桶20底部的支撑座上，将油桶20装入压力罐1，连接相应的管道后，将压力罐1的门封闭。
2、开始进行固化程序：
a)开动真空泵对包裹喷管缠绕件2的真空膜5内侧抽气并一直保持到步骤g)开始之前；
b)压力罐加压0.1Mpa，给油桶20注入常温热导热油9、给芯模内部注入70℃热导热油6、保持上述状态直至油桶内的油温≧65℃后继续保持4h，缠绕体内外温度平衡至70℃；
c)压力罐19保压0.1Mpa，油桶20的导热油9保持70℃、给芯模内部导热油6以160℃/h的速率升温至120℃；
d)压力罐19加压至2.5Mpa，芯模1内部导热油6保温120℃，油桶20的导热油9以80℃/h的速率升温至120℃后，保持1.5h；
e)压力罐19保压2.5Mpa，油桶20的导热油9保持120℃、给芯模1内部导热油6以160℃/h的速率升温至160℃；
f)压力罐19保压2.5Mpa，油桶20的导热油9以80℃/h的速率升温至160℃后，保持1.5h；
g)压力罐19保压2.5Mpa，停止给芯模1内部循环供给导热油6，给油桶20注入≯30℃的导热油9进行冷却；
h)待灌内温度≦40℃时，压力罐19缓慢降压，内外压力平衡后出炉。
实施例2
参阅图2，本发明一种具有可控径向、轴向混合温度梯度热场的渐进式固化工艺，是将缠绕体2整体浸没在可控温导热油的油桶20中并放入压力罐19，通过控制芯模1和油桶20中的油温以及控制芯模1中的油位，使缠绕体2自内而外形成内热外凉、下热上凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照设计的时间顺序由内而外自下而上的进行，由于缠绕体上部的温度较低，固化反应进行的缓慢，固化过程中产生的挥发分可以有足够的时间逃逸，固化过程中酚醛树脂的体积会发生收缩，而外部未固化部分在压力作用下不断向内挤压填充，当缠绕体2整体温度都达到最高固化温度后继续保持一定时间，使缠绕体2外侧和顶部的材料完全固化，然后给压力罐19减压至常压，抽出芯模1和油桶20里的导热油6和导热油9，自然冷却后出炉。
为使油桶20和芯模1内的导热油温度均匀，油桶20内进油管10的管口设在油桶底部，溢流管11的管口设在油桶20的上部；芯模1内的进油管7管口设在芯模内顶部，出油管8管口设在底部，并在芯模内设置油位传感器，芯模进油油泵和抽油油泵的控制器协调工作控制芯模内的热油油位。
为防止压力罐19加压后吸胶棉3被压缩的厉害而使其的吸胶能力大幅下降，可在芯模1的上端包裹的吸胶棉3的外侧或内部加入承压能力较好的金属圈或网架。
固化温控程序：
1、对缠绕在芯模1上的缠绕体2和芯模1进行密封隔离处理，在芯模1的下端由保温材料4进行绝热，在芯模1的上端采用吸胶棉3包裹并连接在最顶部设有抽气管21的管口，最后采用导热性良好的耐热塑料薄膜5从外面进行整体气密包裹。然后将已密封隔离处理好的缠绕体2安置在油桶20底部的支撑座上，将油桶20装入压力罐1，连接相应的管道后，将压力罐1的门封闭。
2、开始进行固化程序：
a)开动真空泵对包裹喷管缠绕件2的真空膜5内侧抽气并一直保持到步骤g)开始之前；
b)压力罐加压0.1Mpa，给油桶20和芯模1内腔注满70℃热导热油，保温3h；
c)压力罐加压至2.5Mpa，油桶20保持油温70℃，5min内给芯模1内注满120℃导热油6后保温2h；
d)压力罐加压至2.5Mpa，5min内抽空芯模中的导热油6；
e)压力罐保压2.5Mpa，油桶20油温升至80℃，给芯模1内部注入160℃热导热油，并以5mm/min的上升速率提升芯模内部注入的导热油位；
f)压力罐保压2.5Mpa，保持芯模1油温160℃，并以60℃/h的升温速率对油桶20内的导热油9进行升温至160℃，然后保温2h；
g)抽出芯模1的导热油，以-60℃/h的速率对油桶20内的导热油进行降温；待灌内温度≦40℃时，压力罐缓慢降压；待压力罐内外压力平衡后开门出炉。

Claims (9)

1.一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，包括压力罐(19)、油桶(20)、芯模(1)、缠绕体(2)、第一导热油(6)、第二导热油(9)、第一循环控温装置和第二循环控温装置；油桶(20)设置在压力罐(19)内部，油桶(20)内填充有第二导热油(9)，芯模(1)浸没在第二导热油(9)中，缠绕体(2)缠绕设置在芯模(1)上；芯模(1)为中空密封芯模，芯模(1)内设置有第一导热油(6)；第一循环控温装置与油桶(20)内部连通，第二循环控温装置与芯模(1)内部连通；
芯模(1)内设置油位传感器(22)，通过控制芯模和油桶中的油温以及控制芯模中的油位，使缠绕体自内而外形成内热外凉、下热上凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照设计的时间顺序由内而外、自下而上的进行。
2.根据权利要求1所述的一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，第一循环控温装置包括温控器(15)、第二油泵(16)、储油槽(17)、溢流管(11)和进油管(10)；储油槽(17)设置在油桶(20)侧面，溢流管(11)的一端连接油桶顶部，另一端连接到储油槽(17)顶部，进油管(10)的一端连接储油槽(17)的底部，另一端连接油桶(20)的底部；进油管(10)上设置有第二油泵(16)和温控器(15)。
3.根据权利要求1所述的一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，储油槽(17)位于压力罐(19)内部或外部。
4.根据权利要求1所述的一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，第二循环控温装置包括温控器(12)、加热装置储油槽(14)、加热装置进油管(7)和出油管(8)；加热装置储油槽(14)设置在压力罐(19)外侧；出油管(8)的两端分别连通芯模(1)和热装置储油槽(14)；加热装置进油管(7)的两端分别连通芯模(1)和热装置储油槽(14)；温控器(15)设置在出油管(8)或者进油管(7)上。
5.根据权利要求4所述的一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，温控器(12)设置在进油管(7)上时，进油管(7)上设置第一油泵(13)，进油管(7)的两端分别伸进芯模(1)和热装置储油槽(14)的底部；出油管(8)的两端分别位于芯模(1)和热装置储油槽(14)的顶部。
6.根据权利要求4所述的一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，温控器(12)设置在出油管(8)上时，出油管(8)和进油管(7)上均设置有第一油泵(13)；进油管(7)的一端伸进芯模(1)底部，另一端位于加热装置储油槽(14)顶部；出油管(8)的一端伸进加热装置储油槽(14)底部，另一端位于芯模(1)顶部。
7.根据权利要求1所述的一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，芯模(1)的顶部采用吸胶棉(3)包裹，并在最顶部设有抽气管(21)；芯模(1)的下端设置有保温材料(4)。
8.根据权利要求1所述的一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，缠绕体(2)外侧包裹有耐热塑料薄膜(5)。
9.基于权利要求1至8任意一项所述的一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置的具有可控温度梯度热场的渐进式固化方法，其特征在于，包括以下步骤：
将密封隔离处理好的缠绕体(2)安置在油桶(20)底部的支撑座上，再将油桶(20)放入压力罐(19)，并给压力罐加压；
通过第一循环控温装置和第二循环控温装置控制芯模(1) 内部和油桶(20)的油温，使缠绕体(2)自内而外形成内热外凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照时间顺序由内而外地进行；
当缠绕体(2)整体温度都达到了设定的最高固化温度后继续保持，使缠绕体(2)外侧的材料完全固化；
然后给压力罐(19)减压至常压，抽出芯模(1)里的第一 导热油(6)和油桶里(20)里的第二 导热油(9)，自然冷却后出炉。
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